智能養老床設計

王 康，王奧宇，司一鳴

（1.蚌埠醫學院 公共基礎學院，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠醫學院 公共衛生學院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

第七次全國人口普查數據顯示，我國65 歲及以上人口達到26 401.9 萬人，占全國總人口的17.95%。老年人口數量明顯增加，國民人均壽命不斷延長，未富先老、空巢化、少子化等養老問題逐漸凸顯。在與養老相關服務需求旺盛的大背景下，傳統養老模式已經難以滿足人們的養老需求，開發研究養老產品是當前的熱點。2021 年11 月，上海和廣州分別發布了“智慧養老應用場景需求清單（2021 年版）”，聚焦5 類10 個典型場景需求，智能養老床位列其中。“床”在人們的生活中扮演著重要角色，但人們日常使用的床有著無法移動，功能單一的缺點，對于長期臥床的老人來說，增加了生活困難，也給家人的日常照料帶來壓力。智能床的出現，必然能夠為臥床老人的生活帶來曙光。

床是家中用來休息的家具，而對于老人尤其是失能/半失能老人而言，除了休息之外，還要在床上完成日常生活起居的多個環節，他們迫切需要一張功能齊全、操作方便的智能床，使體位調整、兩便、翻身、呼叫幫助、日常健康監測等基本生活需求得以自主完成，從而提高他們的生活質量，減輕家人的負擔。在國家政策的引導和推動下，養老領域的產品研發成果十分豐富，智能床的研發也取得了一定進展。調查發現，一些廠家新近推出的智能床更多聚焦于生活領域，在智能化方面存在欠缺。如浙江某科技股份有限公司研制的養老床[1-2]，雖然增加了生命體征采集和人體重量數據采集與上傳功能，但仍無法實現自主控制、健康管理和智能分析等，缺少老人體征監測和預警等功能，并沒有真正實現“智慧”。

本文研發的智能養老床與物聯網結合，能夠實現緊急報警、自主調節床體、LCD 顯示、語音識別控制和紅外遙控控制等功能，并實時獲取老人的心率、體溫、血壓等基本生命體征數據，通過藍牙及時傳輸給家屬或護士，后續可通過這些數據分析老人當前狀況并建立長期個人健康檔案。此舉既增加了床體功能的多樣性，也實現了養老床的智能化、信息化。讓養老床更好地為失能/半失能老年群體服務，更多給予此社會群體關愛。

1 系統總體結構

為便于功能擴展，系統采用模塊化設計，由主控模塊、紅外遙控模塊、語音識別控制模塊、藍牙模塊、警報模塊、數據采集模塊、電機驅動模塊和LCD 顯示模塊等八個獨立的模塊組成。STC89C52 單片機作為主控芯片，實現對整個系統的控制和管理。利用傳感器監測電路采集外界環境的溫濕度和心率血壓等信息，并通過LCD 液晶屏顯示；語音識別控制模塊、紅外遙控模塊和藍牙模塊提供了三種不同的控制方式，豐富了系統的控制功能。電機驅動模塊根據單片機的指令控制步進電機正反轉，以模擬床體背部的升降。硬件結構如圖1 所示。

圖1 總體硬件結構

智能養老床機械設計的主要目標是利用養老床的姿態變換，如坐起、翻身和便盆調整等功能，幫助老人實現日常生活的部分自理。同時，結合家庭或養老院不同場所的需求，設計出模塊可拆卸、具有折疊功能、可伸縮、包含信息傳遞、輸液和病理維護的配套裝置[3]。在邊角處采用磨圓處理，避免采用菱形、三角形等尖銳的外形，給老人在使用過程中以很好的情感慰藉，緩解負面情緒，有利于老人的身心健康。床體結構如圖2 所示。

圖2 智能養老床的床體結構

2 系統硬件設計

2.1 紅外遙控模塊

本系統選擇433 MHz 頻段無線收發模塊作為紅外遙控控制模塊，其采用聲表諧振器SAW 穩頻，頻率穩定度極高，具有穿透性強、縱向分辨率高、適用范圍廣、方向性強和易于實現以及成本低等優點。紅外線的波長遠小于無線電的波長，紅外遙控抗干擾能力強，不會對其他電器造成干擾，也不會影響臨近的無線電設備正常工作，且其工作電壓低、功耗小、電路簡單[4-6]，所以適用于大多數家電。遙控器上有4 個按鍵，分別對應接收板上的4 個數據位輸出腳D0、D1、D2、D3。按按鍵發射信號，對應的數據位輸出高電平。其中，D0 為開啟警報、D1 為關閉警報、D2 為調高座椅、D3 為調低座椅，老人可以通過遙控器按下按鍵實現相應的功能，以最簡單的方式提高老人的自理能力，增強他們生活的信心。紅外遙控模塊原理如圖3 所示。

圖3 紅外遙控模塊原理

2.2 藍牙模塊

本系統選用HC-08 藍牙模塊，它是新一代基于Bluetooth Specification V4.0 BLE 藍牙協議的數傳模塊。同時可兼容5 V 和3.3 V 單片機系統，使用智能手機連接藍牙即可，具有性價比較高、性能穩定、可靠性高的特點。

當手機藍牙與單片機藍牙模塊配對連接成功后，HC-08內部程序可以直接將藍牙串口設備當作串口使用。PC 機可通過AT 指令對藍牙芯片進行控制[7-8]。通過互聯網發送到終端，實現老人和家屬的實時消息互通，并使遠程醫療成為可能。當環境溫度超過38 ℃時，系統會向手機發送危險指令，同時警報模式開啟，實時為家屬提供必要的信息。藍牙模塊原理如圖4 所示。

圖4 藍牙模塊原理

2.3 語音識別控制模塊

本系統采用SU-03T 語音模塊，該模塊支持UART/GPIO/ADC/PWM 等接口，支持自定義CPIO 口控制。可實現人機對話、口令識別、語音控制等功能。

當語音識別模塊檢測到“調高座椅”“調低座椅”等關鍵詞時，單片機會分析、處理提取的特征信息，然后將該特征信息模型與特征模型庫對比，如果二者達到了一定的匹配度，則輸入的語音被識別，進入中斷讀取相應指令[9]，對智能養老床系統進行座椅靠背的調節等。

2.4 警報模塊

系統采用的警報模塊為蜂鳴器，通過蜂鳴器的聲響能實現報警功能。當發生火災或老人體征數據出現異常時，傳感器將采集的信息傳送至單片機，單片機驅動三極管導通，使蜂鳴器發出危險報警信息。與此同時，藍牙模塊發出報警信號通知家屬和醫護人員，使家屬和醫護人員可以及時了解老年人的情況并處理。

三極管具有放大電流的作用，電阻可防止三極管導通。放大器的C 極可接到蜂鳴器的GND 端，放大器的B 極和單片機P1.5 口連接。P2 是低電平時，放大器C 極和B 極導通，C 極和E 極之間的電流放大，驅動蜂鳴器報警[10]。P2 是高電平時，C 極和E 極間不導通，蜂鳴器關閉報警。

2.5 數據采集模塊

數據采集模塊由心電傳感器、脈搏傳感器和溫濕度模塊組成。脈搏傳感器把動脈搏動過程中產生的壓力信號轉換成電信號，并將采集的電信號通過放大濾波電路送入單片機，單片機對脈搏信號進行轉換、預處理并顯示在LCD 顯示模塊[11]；心電傳感器可以提取放大的生物信號，或過濾微弱的生物電信號，經過放大器、電壓緩沖器等直接供單片機采集；溫濕度傳感器采集周圍環境的溫度和濕度數據[12]，由單片機對采集數據進行循環檢測、傳輸[13]，保證老人始終處在適宜的溫度環境。處理后的數據通過藍牙傳輸到帶有藍牙的手機中，實時顯示供家屬和醫生查看。

2.6 電機驅動模塊

本系統選擇使用SG90 舵機作為控制器，通過直流電機的正反轉模擬床體背部的升降。背部升降功能主要設計實現過程是在床體背部分別裝有2 個舵機，使用同一路電信號進行同步控制，向其發送不同寬度的脈沖信號，控制舵機的旋轉角度，完成對床板的升降控制，實現床背部的升降功能。

控制電路板接收來自信號線的PWM 控制信號，其中，脈沖寬度為0.5～2.5 ms，利用占空比的變化改變舵機的位置，相應舵盤的位置為0 ～180°，進而控制電機轉動，實現了可調節靠背角度的功能[14]。

2.7 LCD 顯示模塊

本系統采用LCD1602 顯示屏作為數據信息顯示模塊，利用液晶的物理特性，通過電壓對液晶屏幕進行顯示控制。通過顯示屏可以及時顯示和監測居家老人的生理參數，有效提升老人的居家幸福指數。

3 軟件設計

控制系統軟件使用C 語言編程模塊化設計，遵循了程序模塊化設計理念，除主程序外，還包括各功能子程序，如藍牙連接程序、溫濕度檢測程序、紅外檢測程序、健康管家程序、語音控制程序、腿部伸屈程序、背部升降程序、健康數據統計程序、在線客服程序、實時定位程序等。APP 圖標及主要功能界面如圖5 所示。

圖5 APP 主界面及主要功能界面

用戶使用床體時，系統將自動登錄并聯網，APP 顯示床體聯網成功，此時開始檢測用戶身體的各項體征是否正常，檢測后床體將數據上傳至APP，APP 基于人體正常指標范圍判斷老人身體狀況。若用戶身體指標正常，則床體將繼續保持對老人體征的實時監測狀態并將數據上傳至APP 進行分析；若身體存在異常，則APP 會對用戶發出警報并顯示異常數據，最后基于大數據進行分析，提供最佳解決方案。控制流程如圖6 所示。

圖6 手機端控制流程

4 系統測試及結果分析

4.1 監測測試

監測測試在Windows10 系統環境下進行，測試平臺為串口調試助手，其波特率設為9 600，進行printf 日志打印。藍牙模塊通過ping 命令檢查通信連接是否成功。電腦端控制窗口界面如圖7 所示。

圖7 電腦端控制窗口界面

4.2 語音識別與遙控控制測試

對非特定人語音識別系統進行測試，可以通過特定詞條實驗來判定系統性能的優劣。本次測試分別選擇“開啟警報”“關閉警報”“調高座椅”“調低座椅”詞條，同時選擇不同的人，經多次測試來判斷系統性能。

對SU-03T 的MIC 順序說出測試指令，并及時記錄每一條指令識別成功的次數，進行匯總統計，完成相關測試工作。測試結果見表1 所列。

表1 系統測試實驗

根據本系統的實驗測試可得出結論：比較表1 中第1 列和第2 列的數據可知，與相對安靜的環境相比，在開啟警報的情況下系統成功識別的次數下降。由此可知，在相對安靜的條件下，系統的識別率較高；在警報開啟的情況下，發出的警報聲在一定程度上影響了系統的識別率。

在警報模式下為了有效提高識別率，采取以下2 種措施：

（1）在設置好特定語音識別詞條后，添加了多個與識別列表內有一定聯系的任意其他條目，如警報開啟、報警、救命等；

（2）麥克風靈敏度調高20%，系統的識別正確率可達90%。

紅外遙控器分別按下按鍵A、B、C、D 時，警報響起、警報關閉、座椅升起、座椅降低等均正常出現。

4.3 藍牙通信功能測試

為單片機供電后，可通過手機藍牙與HC-08 模塊配對，連接成功后即可通過手機接收單片機發送的串口數據。通信界面如圖8 所示。

圖8 藍牙通信連接手機界面

4.4 測試總結

系統在室內連續開機三天，持續測量室溫數據，不間斷人為觸摸呼叫設備并測量體溫，得到數據后對其進行統計分析。經過多次調試，硬件工作正常，服務器運行正常，系統與外圍設備通信正常。傳感器測量的數據與實際數據誤差較小，數據傳輸延遲較小。

5 結 語

本文所設計的智能養老床可用于家庭、養老院和醫院，具有較大的實用性及可行性。利用數據采集模塊收集的體征數據進行處理和分析，為老人建立專屬的長期健康檔案。利用多種控制模塊控制床體，使床體的操作由繁化簡，便于使用。家屬可通過APP 實時了解老人的狀況。該系統易于在多種應用環境中實現，有利于子女和醫務人員及時了解老人的健康狀態。智能養老床能夠較好解決老年“養老難”“養老憂”等問題，本文所展示的床體功能和技術具有有較大的實踐意義。

注：本文通訊作者為朱文婕。