智能老人護理床控制系統的設計與實現

摘 要：文中設計了一種集檢測、控制、報警、提醒和緊急呼叫于一體的智能老人護理床控制系統。該系統硬件由環境溫濕度模塊、老人體溫檢測模塊、水位監測模塊、緊急呼叫模塊、定時提醒模塊和藍牙通信模塊組成。以STM32F103C8T6單片機作為主控芯片，搭載溫濕度傳感器、紅外測溫傳感器、液位傳感器、SIM900A模塊和ISD1820語音模塊，實現實時的數據監測和智能護理。護理人可以在手機APP上查看監測數據和遠程控制護理床。測試結果表明，系統各功能模塊運行正常，能夠滿足老人的護理需求。

關鍵詞：智能護理；STM32；控制系統；數據采集；智慧醫療；護理床

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-07

0 引 言

隨著醫療保健的普及和醫療條件的改善，人們的平均壽命大大延長。但隨著年齡的不斷增長，人的身體機能會不斷退化，或者受一些疾病影響，一些老人的自理能力不斷下降，需要專門的人員照顧[1]。而年輕人大部分時間都在忙于工作，照看老人的時間和精力不足，老人智能監測系統應運而生[2]。護理床作為日常醫療輔助設備，在失能群體監護領域得到廣泛應用[3]，但其更多地強調機械動作，無法滿足用戶的多種需求。本文在物聯網技術廣泛應用和發展的背景下，以“護理床”為智能化物理載體，設計了一款能夠更好地滿足老人護理需求的集監測、控制、報警和提醒于一體的智能護理床控制系統。

1 系統總體設計

本文的研究目的是設計一款能夠幫助護理人員更高效地護理老人，減輕其護理工作壓力的護理床。該設計分為硬件設計和軟件設計2部分。硬件設計以STM32F103C8T6單片機為主控板[4]，搭載 DHT11 溫濕度傳感器、 MLX90614 非接觸式紅外測溫傳感器和 YW01 液位傳感器來實時采集護理床周圍的環境溫濕度、老人體溫、水壺水位等信息；通過 SIM900A 模塊向聯系人撥打電話和發送短信，實現緊急呼叫功能；通過設定閾值，使用風扇和加濕器自動調節環境溫濕度；通過ISD1820 語音模塊實現及時提醒；通過 JDY-31 藍牙模塊實現護理床與上位機 APP 的數據傳輸。軟件設計采用 Android 技術，開發語言為 Java 。護理人可在上位機APP上實時查看老人及周圍環境的狀況，可以通過藍牙模塊發送指令實現護理床的遠程控制。本系統的具體功能模塊

如下：

（1）環境溫濕度模塊。將DHT11溫濕度傳感器安裝在護理床上，采集環境溫濕度情況，設定溫濕度閾值；若當前溫度大于環境溫度閾值，則風扇自動打開進行降溫；若當前濕度小于環境濕度閾值，則加濕器自動打開。

（2）老人體溫檢測模塊。通過MLX90614非接觸式紅外測溫傳感器采集老人的體溫信息，將當前體溫與閾值進行比較，如果超過閾值體溫，則判斷為異常，通過蜂鳴器進行

報警。

（3）水位監測模塊。通過YW01液位傳感器采集水壺水位信息。將采集信息與水位閾值進行比較，如果低于水位閾值，則說明水壺水量不夠，蜂鳴器報警提醒護理人加水。

（4）緊急呼叫模塊。在護理床上安裝按鍵和SIM900A模塊；通過按鍵和SIM900A模塊實現緊急呼叫。按鍵作為緊急呼叫按鈕，按下后，SIM900A模塊向護理人手機發送短信和撥打電話，聯系護理人。

（5）定時提醒模塊。在護理床上安裝定時按鍵和ISD1820語音模塊；通過按鍵設置定時時間，時間到達后，ISD1820語音模塊開始提醒老人喝水吃藥，并將床頭上升至合適角度，方便老人喝水吃藥。

（6）藍牙通信功能。護理人通過手機藍牙連接后可以在手機APP上查看從下位機傳輸過來的老人身體狀況及護理床周圍的環境信息，手機 APP還可以對下位機發送一些指令，遠程控制護理床的各項功能。本系統的總體設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

本系統硬件電路設計包括 STM32F103C8T6單片機、DHT11溫濕度傳感器、MLX90614紅外測溫傳感器、YW01液位傳感器、SIM900A通信模塊、ISD1820語音模塊、JDY-31 藍牙模塊以及其他元件（按鍵、OLED顯示屏等）。智能老人護理床控制系統硬件結構如圖 2 所示。

2.1 環境溫濕度模塊設計

2.1.1 環境溫濕度采集模塊設計

DHT11溫濕度傳感器[5]能同時測量環境的溫度和濕度并將信號直接轉換成數字信號輸出[6]。該傳感器采用單總線數據格式，即只需要讀取引腳DATA的數據即可完成輸入和輸出的雙向傳輸。每次從DATA引腳讀出1字節的數據，總共讀取5次，一共有40位數據。第1次讀取的是環境溫度整數部分；第2次讀取的是環境溫度小數部分；第3次讀取的是環境濕度整數部分；第4次讀取的是環境濕度小數部分；第5次讀取的是1字節的校驗位，校驗位可用于檢驗數據是否正確，若前4個字節加起來等于第5個字節，則表明數據正確。DHT11環境溫濕度采集模塊電路如圖3所示。

2.1.2 環境溫濕度調節模塊設計

該功能模塊通過風扇、加濕器和按鍵實現。按鍵用于設定環境溫度和環境濕度的閾值，當環境溫度大于設定溫度閾值時，單片機會讓風扇啟動，實現環境溫度的調節；如果環境濕度小于設定濕度閾值時，STM32單片機會讓加濕器啟動，實現環境濕度的調節。

2.2 老人體溫檢測模塊設計

2.2.1 老人體溫采集模塊設計

溫度傳感器通常采用DS18B20，DS18B20具有可編程的分辨率，最高可達12位，對應的理論分辨率為0.062 5 ℃，但其實際精度只有0.5 ℃，檢測出的數據可能存在±0.5 ℃的誤差。因此，DS18B20可能無法精確地測量老人體溫。為了確保更為精確的體溫測量效果，本功能模塊采用MLX90614傳感器[7]，它是非接觸式紅外測溫傳感器。此傳感器集成了2款芯片，紅外熱電堆探測器和專用信號處理芯片專門用于處理紅外傳感器的輸出信號。MLX90614的精度高達0.1 ℃，因此可以比較精確地測量老人體溫。MLX90614非接觸式紅外測溫傳感器電路原理圖如圖4所示。

采用MLX90614測量和處理老人體溫后，通過SMBus模式輸出結果。在 SCL 時鐘線輸出低電平 300 ns 后，可以改變 SDA 數據線上的數據，然后在 SCL 的上升沿捕獲傳輸的數據。由主機發送起始和終止信號。將l6位數據分為2個字節傳輸。每個字節先傳輸高位后傳輸低位[8]。

2.2.2 老人體溫報警模塊設計

該功能模塊通過蜂鳴器和按鍵實現，蜂鳴器用于報警提醒，按鍵用于設定老人體溫閾值。將MLX90614非接觸式紅外測溫傳感器接收到的數據與閾值進行比較，并判斷是否需要進行蜂鳴器報警。如果老人體溫大于設定的體溫閾值，則通過蜂鳴器報警。

報警使用的元器件是一款有源蜂鳴器SFM-27，其工作電壓為3～24 V，可以接3.3 V的電壓；將正負極通電后就可以發出響聲，將紅線接入單片機的I/O引腳，黑線接地，通過單片機I/O引腳輸出高或者低電平來控制蜂鳴器報警。

2.3 水位監測模塊設計

2.3.1 水位采集模塊設計

該功能模塊通過液位傳感器YW01實現，包括一個液位檢測板和一個信號轉換模塊。將液位檢測板放入水杯中時，它的AO口會輸出一個模擬電壓值，通過單片機的A/D功能模塊讀取和轉換該值，然后將模擬信號轉換為數字信號輸出。AO口輸出模擬電壓0～1.0 V，分別對應水位從0%到100%的變化。YW01液位傳感器的主要功能由電壓比較器LM393實現，其原理圖如圖5所示。

2.3.2 水位報警模塊設計

該功能模塊通過蜂鳴器和按鍵實現[9]，蜂鳴器用于報警提醒，按鍵用于設定水壺水位閾值。將YW01液位傳感器接收到的數據與閾值進行比較，從而判斷是否需要進行蜂鳴器報警。如果水壺水位小于設定的水位閾值，系統觸發蜂鳴器報警。

2.4 緊急呼叫模塊設計

該功能模塊通過SIM900A通信模塊[10]、蜂鳴器和按鍵實現。當老人按下緊急呼叫按鈕后，蜂鳴器報警，SIM900A模塊給護理人手機打電話和發送短信。為了實現發短信和打電話的功能，需要給SIM900A模塊配備一根GSM模塊天線。本系統使用的SIM900A模塊共有4個引腳，分別為VCC、GND、RXD、TXD。它和單片機之間通過串口進行通信，即STM32F103C8T6單片機串口2的TXD引腳與SIM900A模塊的RXD引腳相連，STM32F103C8T6的RXD引腳與SIM900A模塊的TXD引腳相連，交叉相連之后就可以通過AT指令實現需要的功能了[11]，比如通過AT+CMGS實現發送短信，通過ATD實現打電話。

2.5 定時提醒模塊設計

該功能模塊由ISD1820語音模塊[12]和按鍵實現。ISD1820模塊用于發出需要提醒的語音，按鍵用于設置定時時間。ISD1820語音模塊包含一個REC按鈕和一個咪頭話筒，按下REC后，對準話筒錄下想要提醒的語音，按下PLAYE按鈕就可以播放錄制的語音。PLAYL按鈕也可以播放語音，但PLAYL按鈕需要長按，而PLAYE按鈕只需要按一下就能夠播放語音。它還可以直接驅動小喇叭，將喇叭焊接好后直接插入白色部分就可以。使用時，只需要手動按下按鈕即可，但為了讓單片機驅動模塊，需將P-E引腳接入單片機，控制單片機引腳I/O口的電平，從而控制ISD1820語音模塊的播放功能。

2.6 藍牙通信模塊設計

本系統采用的藍牙模塊JDY-31有6個引腳，狀態引腳、使能引腳、正極、負極、接收引腳和發送引腳[13]。電源的正極與藍牙的正極相連，電源的負極與藍牙的負極相連，狀態引腳和使能引腳懸空，無須接入單片機。當正極和負極與電源連接后，藍牙便可開始工作。JDY-31 藍牙模塊的RXD 引腳與STM32F103C8T6單片機串口1的TXD 引腳連接；其TXD引腳與STM32F103C8T6單片機串口1的RXD引腳連接。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

DHT11溫濕度傳感器用于檢測護理床周圍環境的溫濕度；MLX90614非接觸式紅外測溫傳感器用于實時監測老人的體溫；YW01液位傳感器用于采集水壺中的水位信息；通過按鍵設定各個數據的閾值和切換各設備的模式，如果環境溫度大于設定溫度閾值，則打開風扇調節環境溫度；如果環境濕度小于設定濕度閾值，則打開加濕器調節環境濕度；如果老人體溫大于設定體溫閾值或水壺水位小于設定水位閾值，則蜂鳴器會發出報警，提醒護理人做出相應操作。通過按鍵和ISD1820語音模塊實現語音提醒，按鍵用于設置定時時間，定時時間到達后ISD1820模塊開始工作，提醒老人喝水吃藥，并且使床頭上升至合適角度，方便老人進行這些活動；通過按鍵和SIM900A模塊實現緊急呼叫功能，當按下緊急呼叫按鈕3 s之后SIM900A模塊開始向護理人發送短信和撥打電話。單片機通過藍牙模塊向手機APP發送傳感器監測的數據并在APP顯示數據。APP也可以向單片機發送指令，單片機收到后執行相應的操作。

3.2 環境溫濕度模塊程序設計

3.2.1 環境溫濕度采集模塊程序設計

智能護理床的環境溫濕度采集模塊主要通過DHT11溫濕度傳感器實現。DHT11溫濕度傳感器共有4個引腳，分別為VCC、GND、DATA、NC，一般只需要使用其中3個引腳，NC端可以不接入單片機，傳感器的VCC正極接電源正極，傳感器的GND負極接電源負極；連接后，模塊完成通電，DATA端為模塊的數據端，可以從DATA端獲得溫濕度數據。DHT11模塊和單片機相連后便可以進行I/O引腳的初始化；初始化完成后，開始采集溫濕度數據。

3.2.2 環境溫濕度調節模塊程序設計

環境溫濕度的調節依靠風扇和加濕器，使用繼電器作為外設開關，將外設接入繼電器輸出口，繼電器引腳接單片機I/O口，通過控制I/O口電平控制外設的導通，從而實現打開風扇和加濕器的功能。通過對比閾值和當前值，決定I/O口的輸出電平。環境溫濕度模塊的工作流程如圖6所示。

3.3 老人體溫檢測模塊程序設計

3.3.1 老人體溫采集模塊程序設計

智能護理床中老人體溫的采集通過非接觸式紅外測溫傳感器完成。MLX90614共有4個引腳，分別為VCC、GND、SCL、SDA；該傳感器通過I2C協議傳輸數據。當時序穩定后，可以通過讀取單片機I/O口的數據獲得老人體溫值。

3.3.2 老人體溫報警模塊程序設計

老人體溫報警通過蜂鳴器實現，蜂鳴器的黑線接入GND，紅線接入單片機的I/O口。將當前獲得的老人體溫數據和設定的體溫閾值進行比較，如果前者大，單片機I/O口輸出低電平，觸發蜂鳴器報警。老人體溫檢測模塊工作流程如圖7所示。

3.4 水位監測模塊程序設計

3.4.1 水位采集模塊程序設計

智能護理床中水壺水位信息的采集通過YW01液位傳感器實現。YW01液位傳感器共有4個引腳，分別為GND、VCC、AO、DO；AO輸出的是電壓模擬信號，AO口接單片機的I/O口，AO口將模擬信號輸入到I/O口并通過ADC轉化通道進行A/D轉換，將模擬信號轉換為數字信號輸出，從而獲得水壺水位值。

3.4.2 水位報警模塊程序設計

水壺水位報警通過蜂鳴器實現，蜂鳴器的黑線接入GND，紅線接入單片機的I/O口。將當前獲得的水壺水位數據和設定的水位閾值進行比較，如果前者小，則單片機I/O口輸出低電平，觸發蜂鳴器報警。水位監測模塊工作流程如圖8所示。

3.5 緊急呼叫模塊程序設計

通過讀取按鍵I/O口電平判斷是否按下按鍵。按下后，串口2向SIM900A模塊發送AT指令。若是“AT+CMGS+電話號碼”，就可以向該電話號碼發送短信；若是“ATD+電話號碼”，就可以向該電話號碼撥打電話。緊急呼叫模塊工作流程如圖9所示。

3.6 定時提醒模塊程序設計

智能護理床的定時提醒[14]功能通過按鍵和ISD1820語音模塊實現。按鍵用于設置定時時間，按下一次加1 min的定時時間。當定時時間到達，單片機控制ISD1820語音模塊開始工作，提醒老人。ISD1820語音模塊P-E引腳接入單片機的I/O口，當給其高電平后，語音模塊開始工作。為了使時間計算更合理，采用定時中斷機制，每秒進入一次定時中斷，執行計數器加1的操作。床頭上升動作是通過舵機旋轉一定角度實現的，而舵機的轉動角度則是通過計算和設置定時器的比較寄存器值來實現的，調整該值可以改變PWM脈沖中高電平的占空比，從而控制舵機的旋轉角度。定時提醒模塊工作流程如圖10所示。

3.7 藍牙通信模塊程序設計

藍牙通信模塊通過JDY-31藍牙模塊實現。模塊的RXD與單片機串口1的TXD相連；模塊的TXD與單片機串口1的RXD相連。串口發送信息時采用JSON格式，這樣做是為了方便上位機接收到信息后對其進行處理；而在接收信息時則通過比較接收緩沖區內數據的值，來調用并執行相應的判斷函數，進而執行相應的操作。

當接收到信息時，會觸發串口接收中斷；當發送數據時，會觸發串口的發送中斷。藍牙通信模塊工作流程如圖11所示。

4 系統測試

4.1 環境溫濕度模塊測試

環境溫濕度模塊的功能包括環境溫濕度監測和調節。通過DHT11溫濕度模塊可以采集到環境的溫濕度，然后通過風扇和加濕器進行環境溫濕度的調節。系統上電后，可以看到當前的環境溫度為25.8 ℃，環境濕度為78%RH。

通過按鍵調節到環境溫度閾值設置模式，設置環境溫度閾值為25 ℃，因當前溫度高于閾值，所以風扇的繼電器開關打開，如圖12所示。

通過按鍵調節到環境濕度閾值設置模式，設置環境濕度閾值為79%RH，因當前濕度低于閾值，所以加濕器的繼電器開關打開，如圖13所示。

4.2 老人體溫檢測模塊測試

老人體溫檢測模塊功能測試包括老人體溫采集和體溫報警測試。通過MLX90614測量老人的體溫，當體溫大于設定的體溫閾值時蜂鳴器報警。體溫報警裝置如圖14所示。

通過按鍵調節到老人體溫閾值設置模式，設置人體溫度閾值為38 ℃。檢測到人體體溫為38.4 ℃時，蜂鳴器發出響聲，如圖15所示。

4.3 水位監測模塊測試

水位監測模塊功能包括水壺水位采集和水位報警。通過YW01液位傳感器模塊可以采集到水壺水位值，當水位小于設定水位時會進行報警提醒。水位監測裝置如圖16所示。

通過按鍵調節到水壺水位閾值設置模式，設置水壺水位閾值為60%。監測到水位為30%時，蜂鳴器發出響聲，如圖17所示。

4.4 緊急呼叫模塊測試

緊急呼叫模塊的功能是在按下按鈕后系統通過SIM900A模塊向護理人手機撥打電話和發送短信。具體操作為：按下按鍵幾秒鐘之內，護理人員的手機會收到求助短信，如圖18所示。再過大約3 s，手機會接到來自SIM900A模塊的電話，如圖19所示。

4.5 定時提醒模塊測試

為了方便測試定時提醒模塊的功能，此處將定時提醒時間設定為2 min，如圖20所示。2 min后，ISD1820模塊會發出“請喝水吃藥”的語音提醒；再過3 s后，通過舵機實現床頭上升的動作，方便老人喝水吃藥，之后定時會清零，如圖21所示。

4.6 藍牙通信模塊測試

藍牙通信模塊的功能包括雙向數據傳輸，單片機可以向上位機APP傳輸傳感器數據信息；上位機APP可以向單片機發送指令，控制單片機的操作。打開護理床APP，連接藍牙設備后，可以從APP上觀察檢測的數據，如圖22所示。

5 結 語

本文設計的智能老人護理床控制系統能對老人的生理參數及周圍環境信息進行監控，具備定時提醒和緊急呼叫功能。測試結果表明，系統運行穩定，能夠有效保障老人的安全，實現安全、高效的護理，在醫護領域具有廣闊的應用前景和良好的社會經濟效益。

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作者簡介：萬 濤（1975—），女，江西南昌人，博士，研究方向為物聯網安全、無線傳感器網絡。

馮俊森（2001—），男，四川達州人，碩士，研究方向為物聯網安全、無線傳感器網絡。

李孟鈞（2003—），男，湖南岳陽人，研究方向為物聯網安全、無線傳感器網絡。

李宇豪（2002—），男，河北肅寧人，研究方向為物聯網安全、無線傳感器網絡。

收稿日期：2023-10-28 修回日期：2023-11-30

基金項目：國家自然科學基金（61962022）；江西省教育科學“十四五”規劃課題（22YB067）