基于用戶行為的多功能護(hù)理床系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 偉，劉志泳，徐慶云

（廣州軟件學(xué)院，廣東 廣州 510990）

目前，護(hù)理床主要分為手動(dòng)護(hù)理床和電動(dòng)護(hù)理床。手動(dòng)式護(hù)理床由最初只有單純抬背方式演變到現(xiàn)在既可抬背又可抬腿、屈腿等多種床面位姿方式。床面姿態(tài)變化的操作方式多用手動(dòng)分別搖動(dòng)各個(gè)體位把手，多數(shù)的手動(dòng)護(hù)理床采用渦輪蝸桿傳動(dòng)，它將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方式轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)方式。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，電動(dòng)護(hù)理床在醫(yī)護(hù)設(shè)備中開(kāi)始應(yīng)用。電動(dòng)護(hù)理驅(qū)動(dòng)電機(jī)床多為市電220 V，它具有使用簡(jiǎn)單方便、護(hù)理省時(shí)省工的特點(diǎn)，逐漸成為世界各國(guó)以及各個(gè)科研單位和商家研發(fā)的重點(diǎn)。目前，只有少數(shù)國(guó)家掌握了高端的多功能護(hù)理床技術(shù)，如歐美、日本等。其中最具代表性的公司如美國(guó)的Metrocare公司、Device link公司、HILL．ROM公司及日本的樂(lè)夢(mèng)公司等[1-2]。

國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)也開(kāi)始對(duì)護(hù)理床進(jìn)行研究。中國(guó)科學(xué)院研制的第一臺(tái)智能輪椅，開(kāi)辟了該領(lǐng)域研究的先河。該輪椅系統(tǒng)擁有智能語(yǔ)音人機(jī)交互、視覺(jué)及指令巡航等功能，可以在人群中進(jìn)行穿行。高振斌等[3]開(kāi)發(fā)了一種具有智能監(jiān)控護(hù)理床系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以監(jiān)控病患的生理參數(shù)，而且可以對(duì)床體姿態(tài)以及異常情況實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)在一定程度上完善了護(hù)理床系統(tǒng)的自動(dòng)化功能，但是缺乏移動(dòng)互聯(lián)功能，目前也是急需要解決的問(wèn)題。蔣皆恢[4]等開(kāi)發(fā)了一種護(hù)理床系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，該系統(tǒng)利用閉環(huán)控制、結(jié)構(gòu)模塊化，醫(yī)護(hù)人員可通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)終端對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，控制距離沒(méi)有了限制。但是并沒(méi)有對(duì)用戶的行為進(jìn)行分析和優(yōu)化，目前也是亟需解決的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器檢測(cè)、無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)可用于失能老人護(hù)理的護(hù)理床終端系統(tǒng)。護(hù)理床不僅可以多維度的動(dòng)作，減輕使用者長(zhǎng)期臥床帶來(lái)的病態(tài)，而且可以實(shí)時(shí)監(jiān)控人體生理參數(shù)，保證使用者健康狀態(tài)及時(shí)反饋。本文描述的護(hù)理床系統(tǒng)具有的功能如圖1所示。

圖1 多功能護(hù)理床系統(tǒng)功能

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 多功能護(hù)理床的機(jī)械結(jié)構(gòu)

護(hù)理床動(dòng)作包括翻身、翻背、彎腿。這3個(gè)功能將床板分為3部分，其中翻背和彎腿功能由床頭和床尾2個(gè)床板實(shí)現(xiàn)，底下各安裝了絲桿電機(jī)，轉(zhuǎn)子固定在床架上，電機(jī)底部固定在床板上，2個(gè)床板與中間床板的連接處用合頁(yè)固定，當(dāng)帶電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，則帶動(dòng)床板向一側(cè)抬升或下降；而中間的床板又分為3部分，中心圓形部分為排便口，兩邊則是用于左右翻身，此處用普通步進(jìn)電機(jī)直接翻轉(zhuǎn)床板。驅(qū)動(dòng)器作用時(shí)將主控芯片的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化為可驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流信號(hào)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度和速度則由主控芯片和驅(qū)動(dòng)器共同控制。

2.2 微控制器STM32f1zet6

主控芯片采用STM32F103ZET6。STM32F103ZET6具有多達(dá)144個(gè)引腳，其具有簡(jiǎn)單可靠的開(kāi)發(fā)方式，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期，且其具備的資源足以作為護(hù)理床各種功能的控制中心。

2.3 溫濕度檢測(cè)模塊DHT11

DHT11是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。其精度濕度±5%，溫度誤差±2℃，量程濕度5～95%，溫度量程-20～+60℃。由于它超小的體積、極低的功耗，在溫濕度檢測(cè)元器件中作為最佳選擇。與微控器（MCU）連接如圖2所示。

圖2 DHT11與MCU連接圖

2.4 心率檢測(cè)模塊PulseSensor

PulseSensor是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器。將采集到的模擬信號(hào)傳輸給STM32f1zet6單片機(jī)，用來(lái)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過(guò)STM32f1zet6單片機(jī)計(jì)算后就可以得到心率數(shù)值。它的供電電壓為3.3 V或5 V，輸出信號(hào)大小0～3.3 V或0～5 V。

2.5 空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊MQ135

為了檢測(cè)使用者是否有排便的傾向，使用空氣質(zhì)量檢測(cè)模塊MQ135。MQ135主要用于檢測(cè)空氣中的二氧化碳、酒精、苯、氮氧化物、氨等氣體的濃度。檢測(cè)濃度在10～1 000 ppm（氨氣、甲苯、氫氣），供電電壓為5 V。

2.6 語(yǔ)音識(shí)別控制模塊MR-LD3320

LD3320是一個(gè)基于非特定人語(yǔ)音識(shí)技術(shù)的語(yǔ)音識(shí)別芯片。供電電壓為5 V，輸出高電平3.3 V，根據(jù)護(hù)理床系統(tǒng)動(dòng)作特點(diǎn)，內(nèi)部設(shè)置語(yǔ)音關(guān)鍵詞如：背升、背降、左翻身、右翻身、腿升、腿降等。為了提高人機(jī)交互性，設(shè)置人性化詞語(yǔ)如：“小護(hù)，小護(hù)，請(qǐng)背升起”，護(hù)理床系統(tǒng)得到動(dòng)作語(yǔ)音，相應(yīng)的做出動(dòng)作響應(yīng)。LD3320電路原理圖如圖3所示。

圖3 LD3320電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端多參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)

終端多參數(shù)采集程序設(shè)計(jì)由空氣質(zhì)量傳感器、溫濕度傳感器、血壓傳感器、心率傳感器等組成。系統(tǒng)會(huì)不停地采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，并判斷數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)錯(cuò)誤情況，還能通過(guò)分析數(shù)據(jù)對(duì)某個(gè)功能進(jìn)行開(kāi)啟，并將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云端，供手機(jī)端或網(wǎng)頁(yè)端查看。

3.2 終端體位動(dòng)作程序設(shè)計(jì)

終端體位動(dòng)作控制由按鍵控制、語(yǔ)音控制和遠(yuǎn)程控制組成。根據(jù)實(shí)際需求情況，采用合適的控制方式。按鍵控制可以控制床體動(dòng)作角度在0～90°范圍，滿足不同護(hù)理者舒適體位需求。語(yǔ)音控制增加互動(dòng)智能化、人性化，解放護(hù)理者雙手；遠(yuǎn)程控制滿足遠(yuǎn)程操作需求，對(duì)在異地家人可以遠(yuǎn)程了解護(hù)理者身體情況，并可以遠(yuǎn)程控制床體動(dòng)作達(dá)到護(hù)理的目的。終端體位動(dòng)作具體流程如圖4所示。

圖4 終端體位動(dòng)作流程圖

3.3 其他終端平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)

多功能護(hù)理床小程序共有3個(gè)底部菜單欄，分別為首頁(yè)、菜單以及個(gè)人。

其中首頁(yè)欄主要展示智能護(hù)理床配備的溫濕度傳感器、MQ135傳感器以及心率等多種傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)，以及當(dāng)前狀態(tài)下護(hù)理床的狀態(tài)，給予用戶最直觀的視覺(jué)體驗(yàn)。并且能夠展示當(dāng)前位置的天氣狀態(tài)，方便用戶為使用舒適度進(jìn)一步作出調(diào)整。

菜單欄主要是進(jìn)行人機(jī)交互使用，當(dāng)用戶對(duì)護(hù)理床進(jìn)行彎腰、翻身等操作，并記錄當(dāng)前狀態(tài)，傳遞到服務(wù)器。

個(gè)人欄（用戶設(shè)置）是為了更加方便用戶的全面體驗(yàn)，配備掃一掃、分享好友等基本功能，同時(shí)產(chǎn)品手冊(cè)以及關(guān)于我們這兩欄可以讓用戶更加了解護(hù)理床的使用操作。其他終端平臺(tái)功能如圖5所示。

圖5 其他終端平臺(tái)功能示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于尚未正式投入商用運(yùn)營(yíng)，本次測(cè)試在模擬環(huán)境下進(jìn)行。硬件測(cè)試環(huán)境：硬件護(hù)理床1個(gè)，手機(jī)1部，服務(wù)云平臺(tái)1個(gè)。

測(cè)試步驟：

（1）基礎(chǔ)動(dòng)作測(cè)試包括按鍵動(dòng)作、語(yǔ)音動(dòng)作和微信小程序動(dòng)作，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 基礎(chǔ)動(dòng)作測(cè)試結(jié)果

（2）床體動(dòng)作角度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，通過(guò)本系統(tǒng)，床體動(dòng)作比較平穩(wěn)，床體動(dòng)作角度誤差率控制在4%，提供使用者在安全操作的前提下增加便利性；同時(shí)實(shí)時(shí)進(jìn)行生理參數(shù)監(jiān)控，提供使用者健康狀態(tài)反饋，遇到突發(fā)狀況，及時(shí)報(bào)警反饋，從而降低病態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

表2 床體動(dòng)作角度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了基于用戶行為的多功能護(hù)理床系統(tǒng)的產(chǎn)品功能、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法以及硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用的微信小程序的框架與原理。該多功能護(hù)理床采用嵌入式STM32硬件系統(tǒng)，且本系統(tǒng)中的主控芯片采用STM32F103ZET6芯片，其具有簡(jiǎn)單可靠的開(kāi)發(fā)方式，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期。且其具備的資源足以作為護(hù)理床各種功能的控制中心實(shí)現(xiàn)了軟件定時(shí)器任務(wù)和舵機(jī)控制任務(wù)。護(hù)理床作為智能終端，通過(guò)智慧互聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，通過(guò)微信小程序?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)用戶的身體數(shù)據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療，也可以通過(guò)醫(yī)療大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)、預(yù)警等智能護(hù)理功能。通過(guò)搭建的多功能智能護(hù)理床模型，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性。