面向臥床康復患者的物聯網智能監測系統

李迪 陳香敏 陳耀宗 李園

摘要：文章設計了一款面向臥床康復患者的智能監測系統，旨在提高康復患者的安全性和監測水平。臥床患者因行動不便，對康復環境的要求較高。因此，該系統通過整合單片機控制技術和傳感器技術，能夠實時監測患者所處環境的溫度、濕度和空氣質量，以促進患者的康復進程。同時，該系統能夠迅速檢測床體跌落事件，有效降低意外事故風險。該設計可集成于智能護理床或普通康復床中，提升康復過程的智能化水平，減少人工檢測的時間成本。

關鍵詞：監測系統；臥床康復患者；單片機；傳感器技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0113-03

0 引言

隨著社會的不斷發展以及世界范圍內人口老齡化進程的不斷加快，康復治療的重要性日益凸顯。患者常常面臨日常生活中的各種挑戰，其中包括床體跌落的風險以及健康狀況的監測需求。因此，設計一種面向臥床康復患者的物聯網智能監測系統顯得尤為重要，它能夠為康復患者提供更加安全可靠的生活環境和護理支持。目前，對患者的監測系統大多以監測生命體征為主，而針對患者所處環境監測系統的設計與應用相對較少[1-2]。同時，對床體跌落檢測系統的研究也尚處于初級階段。現有的患者檢測系統存在功能單一、智能化程度較低等問題[3]。

本文介紹了一種面向臥床康復患者的物聯網智能監測系統，并對該系統的組成部分、工作原理等進行了詳細闡述。該系統整合了單片機控制和傳感器技術，旨在為患者提供高效、安全的康復治療。系統通過監測患者所處環境的參數，如溫度、濕度和空氣質量，確保康復環境符合醫學要求，并為滿足患者的個性化需求提供支持。此外，該系統還具備床體跌落檢測功能，能夠及時發現患者從床體跌落的情況，提供緊急援助，從而減少潛在的傷害風險。這項技術的應用將有助于降低醫護人員的勞動強度，提供更全面的患者護理，并為制定患者的康復計劃提供相關數據支持[4]。通過本研究，我們希望能夠推動相關技術在醫療保健領域的應用，為康復患者提供更好的支持與保障，讓更多人受益于現代科技的進步[5]。

1 系統總體設計

臥床康復患者行動不便，同時對康復環境有一定要求。本文設計的系統可安裝在康復床上，作為輔助監測系統。該系統能夠監測臥床康復的環境以及患者是否從床體跌落，以促進患者盡快康復[6]。對于溫度的監測，適宜的溫度有助于患者的舒適感及體溫調節，過高或過低的溫度都可能引發不適和健康問題，尤其是康復患者，他們往往對溫度變化更為敏感。對于濕度的監測，適當的濕度水平有助于保持呼吸道濕潤，減輕呼吸不適，這對呼吸系統康復患者尤為重要。對于空氣質量的監測，良好的空氣質量對康復患者的康復至關重要，高濃度的細顆粒物和有害氣體可能加劇患者的癥狀。同時，對床體跌落的監測能夠及時發現患者從床體跌落的情況，以便及時救治，避免患者受到二次傷害。基于這些需求，對本系統進行了設計開發。

根據設計要求，文章設計了一款針對康復環境及床體跌落的監測系統。該系統主要由六大模塊組成，包括控制模塊、監測模塊、顯示模塊、Wi-Fi通訊模塊、輸出模塊以及按鍵輸入模塊。控制模塊選用STC12 系列的單片機作為核心控制器，負責數據處理和程序控制；監測模塊則集成了溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質量傳感器和壓力傳感器，用于實時監測康復環境；顯示模塊采用OLED顯示屏，實時展示所監測的康復環境參數以及參數設置；Wi-Fi通訊模塊實現無線通信功能，使系統能夠聯網，便于遠程實時監測環境參數及床體跌落情況；輸出模塊負責報警輸出，當控制器發出報警信號時，該模塊將發出警報聲并點亮報警指示燈；按鍵輸入模塊則用于設置各康復環境參數的報警范圍等。

2 系統硬件電路設計

2.1 單片機

本設計所采用的單片機型號為STC12C5A60S2，STC系列單片機具有保密性能好、抗干擾能力強、防外部電磁輻射功能等優點。單片機工作所需的最少元件組成的系統被稱為最小系統。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感器用于實時測量患者的康復環境濕度。適宜的濕度有助于維護呼吸系統健康、避免脫水以及減輕炎癥等。本設計選用的傳感器型號是DHT11，它是一款溫濕度復合傳感器，并具備已校準的數字信號輸出功能。將傳感器模塊置于所需監測的環境中，通過電阻式感濕元件可以測量環境中的濕度。傳感器模塊的引腳定義如表1所示，主要技術參數如表2所示。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器用于實時測量患者的康復環境溫度。適宜的溫度有助于促進傷口愈合、提高患者的舒適性和康復效果。本設計選用的傳感器型號為DS18B20，該傳感器是數字式單總線溫度傳感器，具有線路簡單、體積小的特點。DS18B20引腳的功能如表3所示，其主要技術參數如表4所示。

2.4 空氣質量傳感器

通過監測室內空氣質量，可以幫助康復患者避免暴露于有害氣體、顆粒物和其他空氣污染物質，從而減少癥狀加重的風險。保持室內空氣質量良好對于改善呼吸道健康、促進更快的康復過程至關重要。本設計選用的是MQ-135空氣質量傳感器，MQ-135空氣質量傳感器通常具有高精度和穩定性，能夠提供實時的空氣質量數據，它能夠測量空氣中的各種污染物，如揮發性有機化合物（VOCs） 和二氧化碳（CO2） 等。

2.5 壓力傳感器

壓力傳感器用于監測患者在床上的情況，以判斷患者是否發生床體跌落。將壓力傳感器置于患者所使用的床墊中，當患者躺在床墊上時，壓力傳感器會輸出一個壓力信號給控制器（單片機）。當床體跌落監測功能開啟后，控制器會根據讀取到的壓力傳感器信號判斷是否發生床體跌落。若有壓力信號，則說明患者躺在床墊上，未發生床體跌落；若無壓力信號，則說明患者不在床上，此時判定為發生床體跌落，并發出警報。考慮到患者上下床時可能引發的誤判情況，因此在患者下床時，應關閉床體跌落監測功能，以避免誤報。壓力傳感器選用電阻式薄膜壓力傳感器，其工作原理基于電阻值與壓力的關系。當受到外部壓力時，薄膜發生形變，導致電阻值變化，從而實現壓力測量。該類型傳感器具有結構簡單、體積小、響應速度快等特點，廣泛應用于醫療設備、工業自動化等領域。

2.6 顯示模塊

為了能夠實時觀察患者所處環境情況，該系統加入了顯示模塊，該模塊采用了OLED128×64顯示屏。這款顯示屏能夠同時顯示128×64（即128列64行）個字符。在設計時，溫度、濕度、煙霧濃度、壓力值分別用“溫度”“濕度”“煙霧”“壓力”來表示；溫度單位為“℃”、濕度單位為“RH%”、煙霧濃度單位為“%”、壓力單位為“N”。顯示屏能夠顯示康復環境的溫濕度、空氣質量、壓力值等參數，并允許用戶設置并顯示這些參數的報警范圍。OLED顯示屏具有響應時間快、視角廣、對比度高、靈活性好等優點，因此被廣泛應用于智能手機、電子設備和可穿戴技術等領域，為用戶提供了更高質量的圖像和視覺體驗。

2.7 按鍵輸入電路

按鍵輸入電路用于控制床體跌落監測功能的開啟與關閉以及切換顯示屏顯示畫面和修改設置各項參數。通過自鎖按鈕控制是否啟動床體跌落監測功能，選用兩個按鈕進行OLED顯示畫面的切換，另外兩個按鈕用于調節所監測的康復環境報警數值大小，再選取兩個按鈕調節參數的位數。在按鍵輸入電路中加入了上拉電阻，確保信號線在沒有外部輸入時保持高電平，從而提高穩定性。上拉電阻具有避免端口懸空、穩定信號、節省功耗、防止電流回路等優點。

2.8 報警電路設計

報警電路主要由報警指示燈、有源蜂鳴器以及繼電器等組成。在指示燈回路中加入了4.7 KΩ的電阻，以防止回路中電流過大或指示燈電壓過高導致損壞。在繼電器回路中，并聯了一個二極管，其主要作用是防止感應電動勢。當繼電器線圈斷電時，線圈中的電流突然減小，會產生感應電動勢，這可能導致火花或電弧，從而損壞繼電器的開關部分。通過并聯二極管，可以確保繼電器的長壽命和可靠性。繼電器的作用是在電路中實現電信號對大電流或高電壓開關操作的控制。由于單片機給出的信號無法滿足指示燈的工作電壓，因此通過單片機信號控制繼電器，進而控制指示燈的啟動與停止。

3 軟件設計

本文設計的臥床康復患者的物聯網智能監測系統的程序使用C語言進行編寫，并在Keil編譯器中進行開發設計，同時采用了模塊化的設計理念。

系統上電后，單片機及各個模塊將進行初始化。初始化完成后，需對各個監測參數的報警范圍進行設置。設置完成后，溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質量傳感器將開始采集康復環境中的溫度、濕度、煙霧濃度等數據，壓力傳感器對床墊壓力進行采集。單片機將對這些接收到的數據進行處理，并判斷其是否在所設置的范圍內。若數據超出或低于所設定參數的范圍，則報警指示燈將亮起，蜂鳴器會發出警報聲；若數據在該范圍內，則報警指示燈和蜂鳴器均不啟動。采集到的溫度、濕度、煙霧濃度、壓力值將實時顯示在OLED12864顯示屏上，并通過Wi-Fi通訊模塊將數據傳輸給上位機。

通過對康復環境及床體跌落情況的實時監測，系統能夠及時發現問題并做出處理，確保康復患者處于一個舒適的康復環境中。系統軟件設計的主程序流程如圖1所示。

4 結束語

面向臥床康復患者的智能監測系統代表了醫療和健康護理領域的重要技術進步，此系統的實施旨在提供更安全和有效的康復環境。本文設計的智能監測系統可安裝于市面的普通病床或智能康復床，可將本系統的跌落檢測模塊安裝于床墊，環境監測模塊安裝于床體。康復環境和床體跌落監測系統結合傳感器技術和單片機控制技術，可以實時監測患者所處環境的溫度、濕度、空氣質量等參數以及迅速檢測床體跌落事件，可以減少患者意外事故的風險，提供個性化的護理，輔助患者康復。此外，這一技術對醫護人員的工作提供了有力支持，通過提供數據來輔助制定治療和康復計劃。

參考文獻：

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[3] 張震，郭曉金，劉煌.居家智慧養老監測系統的設計[J].現代電子技術，2022，45（18）：171-176.

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[5] 徐虹.智慧居家養老安全監測系統架構標準化研究[J].信息技術與標準化，2022（9）：59-63.

[6] 李珂心，吳智慧.基于養老場景的智能家居監測平臺設計研究[J].家具與室內裝飾，2022，29（3）：56-60.

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