吳春華，孫 瑜

（南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210014）

多功能護(hù)理床遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳春華，孫 瑜

（南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210014）

為方便病人家屬和醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程操作護(hù)理床并了解病人身體狀況，設(shè)計(jì)了一種基于WiFi通信的多功能護(hù)理床遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，手機(jī)終端可遠(yuǎn)程控制護(hù)理床的動(dòng)作并獲取病人的基本生命體征數(shù)據(jù)。采用了C/S架構(gòu)和TCP/IP通信模式，護(hù)理床通過(guò)ESP8266 WIFI模塊聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)終端和護(hù)理床都作為客戶(hù)端訪問(wèn)服務(wù)器。護(hù)理床主控制器采用的是STM32F401 Nucleo開(kāi)發(fā)板，客戶(hù)端和服務(wù)器程序編寫(xiě)用的是Qt5.4。測(cè)試結(jié)果表明，護(hù)理床可準(zhǔn)確執(zhí)行手機(jī)終端命令的動(dòng)作。

護(hù)理床；遠(yuǎn)程控制；WiFi通信；STM32F401 Nucleo

21世紀(jì)是人口老齡化的時(shí)代[1]，目前，中國(guó)老年人口數(shù)量和老年人口發(fā)展速度都已達(dá)到世界之最[2-3]。社會(huì)人口的老齡化給我國(guó)養(yǎng)老行業(yè)和醫(yī)療護(hù)理行業(yè)提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而不論在醫(yī)院、養(yǎng)老院還是家庭中，多功能護(hù)理床[4-5]都發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)多功能護(hù)理床乃至智能護(hù)理床都進(jìn)行了深入的研究[6-9]。目前國(guó)內(nèi)使用的主要是機(jī)械手搖式護(hù)理床和電動(dòng)護(hù)理床，它們能很好地幫助大部分老人。但對(duì)于重度失能老人，醫(yī)護(hù)人員和家屬必須在旁邊操縱護(hù)理床，完成坐立、翻身等動(dòng)作，醫(yī)護(hù)人員還是有很大工作量，家屬要照顧老人也不能自由出入。同時(shí)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種生命體檢測(cè)模塊[10-11]的出現(xiàn)，使實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)病人身體狀況成為可能。文中設(shè)計(jì)了一種護(hù)理床遠(yuǎn)程控制方案，用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)或PC客戶(hù)端連接服務(wù)器，遙控護(hù)理床使之實(shí)現(xiàn)坐立、抬腿、翻身、沖洗等功能，并獲取病人的心率、體溫、血壓等基本生命體征數(shù)據(jù)。既實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，也方便系統(tǒng)對(duì)護(hù)理床進(jìn)行集中管理。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。手機(jī)和PC終端通過(guò)GPRS或WiFi網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器，護(hù)理床也通過(guò)無(wú)線WiFi與服務(wù)器相連。每臺(tái)護(hù)理床都有唯一的物理地址稱(chēng)為MAC地址，手機(jī)和PC終端接入系統(tǒng)時(shí)通過(guò)護(hù)理床MAC地址來(lái)確定它所要連接的護(hù)理床。同時(shí)，該終端也被設(shè)置一個(gè)MAC地址，且與之連接的護(hù)理床的MAC地址一致，以便信息交互時(shí)的尋址。配對(duì)的終端和護(hù)理床就可通過(guò)服務(wù)器相互發(fā)送信息，這些信息包括終端發(fā)出的控制命令和護(hù)理床回復(fù)的生命體征數(shù)據(jù)。

2 基于WiFi的通信方案

在通信方案中，護(hù)理床是通過(guò)無(wú)線WiFi連網(wǎng)的。WiFi能將網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品以無(wú)線的方式相互連接，具有接入簡(jiǎn)單，傳輸速率高，覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[12-13]。WiFi通信方案結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程通信方案框圖

2.1 WiFi模塊的選擇

WiFi模塊選擇的是ESP8266。ESP8266是專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，它集成度高，且功耗低，可以搭載其它軟件應(yīng)用作為設(shè)備中唯一應(yīng)用處理器，也可以很方便地嵌入到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中。文中就是將ESP8266嵌入到基于STM32F401 Nucleo的系統(tǒng)中，負(fù)責(zé)WIFI連網(wǎng)，為STM32F401 Nucleo接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 通信協(xié)議和模型的選擇

通信協(xié)議選擇的是TCP/IP協(xié)議[14-15]。TCP/IP協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，是一種可靠的傳輸協(xié)議，三次握手。同時(shí)，TCP/IP協(xié)議不依賴(lài)于任何特定的計(jì)算機(jī)硬件或操作系統(tǒng)，也不依賴(lài)于特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件，開(kāi)放性好。

通信模型選擇的是基于TCP/IP協(xié)議的C/S模型，即客戶(hù)端/服務(wù)器模型，是用戶(hù)請(qǐng)求服務(wù)，服務(wù)器提供服務(wù)的一種應(yīng)用，具有服務(wù)器負(fù)荷小，響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

文中，手機(jī)和PC終端與服務(wù)器間，以及護(hù)理床和服務(wù)器間都是C/S模式。終端將控制命令發(fā)給服務(wù)器，由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給護(hù)理床；護(hù)理床收到命令后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并將病人的生命體征數(shù)據(jù)發(fā)給服務(wù)器，由服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給終端。

2.3 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

通信過(guò)程中的每條信息都是以16進(jìn)制數(shù)組的形式發(fā)送的，信息的第一個(gè)字節(jié)保存的是該信息的字節(jié)數(shù)。通信協(xié)議的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

3 控制器部分的設(shè)計(jì)

控制器的設(shè)計(jì)如圖3所示：

圖3 控制器設(shè)計(jì)

主控制器采用STM32F401 Nucleo核心板，負(fù)責(zé)護(hù)理床各個(gè)動(dòng)作的控制、生命體征數(shù)據(jù)的檢測(cè)以及無(wú)線通信控制。STC15F2K60S2單片機(jī)主要控制沖洗相關(guān)動(dòng)作。護(hù)理床各個(gè)動(dòng)作的變換包括坐立、躺下、左右翻身、開(kāi)蓋和關(guān)蓋（便盒的上升和下降），這些動(dòng)作依靠5個(gè)電動(dòng)推桿實(shí)現(xiàn) （推桿的動(dòng)作依靠的是有刷直流電機(jī)），推桿可以往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一個(gè)動(dòng)作到達(dá)指定位置時(shí)，護(hù)理床上的限位開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)信號(hào)給主控制器以停止推桿的運(yùn)動(dòng)。生命體征數(shù)據(jù)的檢測(cè)包括體溫、心率和血壓，這些數(shù)據(jù)是通過(guò)體溫檢測(cè)模塊、動(dòng)態(tài)血壓檢測(cè)模塊和脈搏檢測(cè)模塊獲得的。沖洗相關(guān)動(dòng)作包括臀部清洗、女性清洗、烘干、調(diào)節(jié)，由STC15F2K60S2控制相應(yīng)的動(dòng)作。當(dāng)手機(jī)或PC控制終端發(fā)出指令時(shí)，服務(wù)器將指令通過(guò)WiFi模塊傳給主控制器。主控制器發(fā)送指令或信號(hào)到相應(yīng)模塊，主控制器獲得的數(shù)據(jù)也會(huì)傳回給終端。

4 客戶(hù)端/服務(wù)器端程序編寫(xiě)

軟件程序的編寫(xiě)，文中用的是qt5.4。qt5.4支持android，使得開(kāi)發(fā)的客戶(hù)端程序可在android手機(jī)和平板上運(yùn)行。文中采用QTcpServer類(lèi)編寫(xiě)服務(wù)器端程序，QTcpSocket類(lèi)在服務(wù)器端口監(jiān)聽(tīng)，一旦發(fā)現(xiàn)客戶(hù)端有連接請(qǐng)求，就建立socket連接。程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖

護(hù)理床和手機(jī)終端都作為客戶(hù)端，向服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)。由于客戶(hù)端的IP各不相同，服務(wù)器需要監(jiān)聽(tīng)所有IP，當(dāng)有連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器就創(chuàng)建一個(gè)新的tcpsocket連接并放入vector中，vector的下標(biāo)即為tcpsocket連接的mark標(biāo)識(shí)。服務(wù)器用bed_mac[]、controller_mac[]這兩個(gè)數(shù)組分別記錄護(hù)理床和控制終端的MAC地址所對(duì)應(yīng)的tcpsocket連接的mark標(biāo)識(shí)，以便在服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)信息時(shí)通過(guò)MAC找到相應(yīng)的tcpsocket連接。當(dāng)客戶(hù)端離線時(shí)，就刪除vector中對(duì)應(yīng)位置存儲(chǔ)的tcpsocket連接，并將值設(shè)為NULL，當(dāng)有新的連接請(qǐng)求時(shí)，創(chuàng)建新的tcpsocket連接，取代vector中值為NULL的位置。理論上，護(hù)理床不會(huì)主動(dòng)離線，服務(wù)器也不會(huì)輕易關(guān)閉。

手機(jī)終端最終app界面組成如圖5所示，用戶(hù)界面即主界面包括用戶(hù)連接、床體動(dòng)作、日常清洗、體征檢測(cè)4個(gè)部分。用戶(hù)連接部分包括輸入服務(wù)器的IP地址和端口號(hào)的方框以及連接/斷開(kāi)按鈕，床體動(dòng)作部分包括各個(gè)動(dòng)作的按鈕，日常清洗和體征檢測(cè)部分組成也與床體動(dòng)作部分類(lèi)似。

圖5 終端app用戶(hù)界面功能組成圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)完成后，我們用手機(jī)和平板終端app測(cè)試了遠(yuǎn)程控制的各個(gè)功能效果，測(cè)試結(jié)果表明：終端可通過(guò)數(shù)據(jù)流量和WIFI在省外控制護(hù)理床的各個(gè)動(dòng)作；操作時(shí)可點(diǎn)動(dòng)按鈕也可長(zhǎng)按按鈕；系統(tǒng)操作安全，不會(huì)有護(hù)理床動(dòng)作到位后終端繼續(xù)發(fā)送命令導(dǎo)致系統(tǒng)損壞的情況?？傊?，系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制護(hù)理床的功能。圖6測(cè)試的是用app控制護(hù)理床左右翻轉(zhuǎn)；圖7顯示的是用手機(jī)app遠(yuǎn)程獲取生命體征數(shù)據(jù)。

圖6 左右翻轉(zhuǎn)測(cè)試

圖7 生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)測(cè)試

6 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)的護(hù)理床遠(yuǎn)程控制方案可用于醫(yī)院、養(yǎng)老院，對(duì)病人進(jìn)行集中管理；也可用于普通家庭中，方便病人家屬更好地照料病人的生活。1）在服務(wù)器承載能力足夠的情況下，可容許上萬(wàn)臺(tái)護(hù)理床同時(shí)在線，擴(kuò)展性好；2）手機(jī)終端的接入靈活，可隨機(jī)選擇與哪個(gè)護(hù)理床配對(duì)；3）可用于醫(yī)療方面對(duì)病人體征數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)處理?？傊?，該方案有很廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)然，文中還存在很多不足，如：1）對(duì)病人體征數(shù)據(jù)的檢測(cè)項(xiàng)目比較簡(jiǎn)單，不夠細(xì)致；2）終端和護(hù)理床都連接服務(wù)器，服務(wù)器的負(fù)擔(dān)較重。這些都還需要做進(jìn)一步研究。

[1]于戈，劉曉梅.論我國(guó)養(yǎng)老服務(wù)業(yè)發(fā)展研究[J].甘肅社會(huì)科學(xué)，2011（5）:236-239.

[2]秦毅.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].重慶:電子科技大學(xué)，2008.

[3]唐韜.一種基于嵌入式Internet的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2011.

[4]吳劍.機(jī)器人化多功能護(hù)理床的研究與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2003（6）:21-25.

[5]LIN Li-zong，ZHANG Song，HU Xing-long.Notice of retraction mechanism design and simulation analysis of multi-functional nursing bed[C]// IEEE，International Conference on Mechanical and Electronics Engineering，2010:450-453.

[6]ZHANG Tie，XIE Cun-xi，LI Lin.Research on tele-monitoring system and control system of intelligent nursing bed based on network[J]. Intelligent Control and Automation，2006（3）:9434 -9438.

[7]周慧強(qiáng).基于嵌入式系統(tǒng)機(jī)器人化護(hù)理床的研究與開(kāi)發(fā)[D].廣州:華南理工大學(xué)，2006.

[8]Ho K，Yamamoto K，Tsuchiya N，et al.Multi sensor approach to detection of heartbeat and respiratory rate aided by fuzzy logic[C]//IEEE，International Conference on Fuzzy Systems.2010: 1-6.

[9]譚林，魯守銀，張偉，等.機(jī)器人化護(hù)理床及其控制系統(tǒng)[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）:18-20.

[10]Hata Y，Kobashi S，Kuramoto K，et al.Home care system for aging people confined to bed by detached sensor network [C]//IEEE，Robotic Intelligence In Informationally Structured Space（RiiSS），2011 IEEE Workshop on.2011:1-6.

[11]寧文雙.基于無(wú)線通信的生理信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[D].成都:西南交通大學(xué)，2014.

[12]孫勇.WiFi與GPRS網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用與研究[D].南京:南京郵電大學(xué)，2013.

[13]楊晶，唐小琦，宋寶.智能護(hù)理床無(wú)線控制軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2015（2）:74-77.

[14]Gao H B，Lu S Y，Wei L.The design of CAN and TCP/IP-based robotic multi-functional nursing bed[C]//8th World Congress On Intelligent Control and Automation，2010:6402-6407.

[15]吳優(yōu)，黃俊杰，黃時(shí)俊，等.基于TCP/IP協(xié)議的多床位遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2012（5）:3658-3661，3707.

The design of a remote control system of multi-function nursing beds

WU Chun-hua，SUN Yu
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China）

To make remote operation of nursing beds and medical staffs acquainted with patients' physical condition easily，this paper designs a nursing bed remote control system based on WiFi communication.In which，nursing beds could be controlled remotely by mobile terminal and patients' basic physiological information data can be obtained.STM32F401 Nucleo is the main controller.C/S architecture and TCP/IP communication model are chosen.Nursing beds connect to the Internet through ESP8266 WIFI module.Mobile terminals and nursing beds can access server as clients.STM32F401 Nucleo is the main controller.Client and server program is written with Qt5.4.Test results show that nursing beds can execute command from terminal accurately.

nursing bed；remote control；WiFi communication；STM32F401 Nucleo

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0171-04

2016-03-30稿件編號(hào)：201603409

吳春華（1993—），女，河南信陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。