基于STM32的醫療康復室智能家居系統

吳德鑫　白清元　金英敏　陳麗君　馮沖

摘要：本文提出一種基于紅外通信互聯的、可無線操控的醫療康復室智能家居系統設計。此系統一方面實現了家居設施的智能控制，同時可由護士及病患通過紅外、語音兩種方式對各類家居進行遙控，另一方面紅外無線通信具有低功耗、低電磁干擾等優點，減輕了環境中輻射對病人的傷害。這分擔了護士的工作，讓護士專注于病人病情的診查，還有利于病人的康復。

關鍵詞：紅外通信；自動調節；智能家居

0引言

世界上大多數國家的護士職位人數占總人口的比重約為5‰，而中國卻只有1‰左右。與歐美發達國家相比，中國護士在數量與規模上呈現出一定劣勢與短板，而且不同地區間的差距也頗為明顯。為此，中國目前正面臨著護理人力資源配置嚴重不足的嚴峻挑戰。

醫療康復室是各大醫院的常見部門，康復室通常由特定的護士設崗管理，管理范圍包括患者病情巡查和依據病患需求調控室內設施。隨著病患的增加，護士的工作量會日益加重，為此研發建立面向醫療康復室的智能控制系統，一方面實現了室內設施的智能控制，同時還可由護士及病患通過紅外、語音兩種方式對各類設施功能進行遙控：另一方面紅外無線通信具有低功耗、低電磁干擾等優點，減輕了環境中輻射對病人的傷害。這不僅能夠有效分擔護士工作，使護士專注于病人病情的診查，在某種程度上更有利于病人的及早康復。

綜上可知，本文即重點提出了一種基于紅外通信互聯的、可無線操控的醫療康復室智能家居系統設計，此系統提供室內溫濕度調節、室內光照調節和消毒等自動化功能，還基于紅外光通信和語音識別技術提供對上述集成單元的人工控制功能。

1總體設計方案

本系統研究設計的面向康復家居控制主要可展示描述如下：核心部分要實現對各項功能的智能控制，即基于紅外通信方式的遠程遙控；而系統中包括3個子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內環境調節模塊和窗簾控制模塊。其中，紫外燈消毒模塊是在檢測無人情況下進行室內紫外線消毒：室內環境調節模塊是對室內的溫濕度做出適當的優化調節；窗簾控制模塊是根據檢測到的光強對窗簾來調控開啟與關閉配置。這三大模塊的功能所對應的硬件設計則如圖1所示。

2硬件設計

本系統的核心部分采用了探索者STM32F407開發板上微處理器、4.3寸液晶屏、自帶的紅外接收頭和紅外遙控板，外圍用杜邦線連接紅外發射板和語音識別模塊，組成本次研究的核心控制部分。

本系統包括3個子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內環境調節模塊和窗簾控制模塊。系統的子模塊的調度機制都是由51單片機進行控制，每個子模塊都由紅外接收板、液晶、鍵盤和USB轉串口模塊與單片機最小系統硬件連接，同時針對每一部分均已單獨制作了一個開發板，用到的功能模塊均通過杜邦線與該開發板連接后進入使用。子模塊的三大功能分別實現：對室內環境進行紫外消毒；調節室內舒適度，改變環境中的溫濕度；改善室內光照的強度。在此，將給出系統設計方案如圖2所示。研究設計內容則論述如下。

2.1紅外交互

紅外通訊的成功構建必須實現對紅外線的信息與數據的發射與接收。如果接收器能夠對發射的紅外線有接收反應，并且一一對應，那么就可以通過紅外來遙控，并全程設計推行本文智能家居這一觀念。

紅外無線通信采用紅外線作為無線傳輸載體，并可應用于室內外以實際獲得點對點的通信，這一設計具備如下特點優勢：

1）紅外線可以代替傳統設備之間的連接線纜作為通信載體，可大大降低線纜費用和設備維修費用，簡單方便，成本低廉。

2）紅外線遇不透明物質則無法穿越，發生偵聽的可能性較小，保密性好，并且紅外線發射角度一般不超過30度，視線之外的設備很難對其構成干擾，安全性高。

3）紅外線不受空間高頻電磁波的干擾，在使用紅外線傳輸信息時，干擾小。

4）紅外線功率低，最大消耗為幾mA，對人體健康尤其對人的眼睛無任何傷害作用。

5）紅外線的應用廣泛，紅外通信技術成熟，現如今的應用普及度已不可小覷。

研究過程中，完整探討并推出了紅外發射與接收的系統框架，清晰展示了利用紅外線來實現通訊的關鍵流程步驟。下面即針對每一部分給出詳盡解析與闡釋。

2.1.1紅外發射模塊

紅外發射電路由放大電路和紅外發射管組成。在電路元件參數選擇時，首先確定紅外發光二極管，再由該元件主要參數為基準，去設計選擇其他元件。一般情況下，紅外發光二極管在作為遙控使用時多選取遠紅外區的性質款型，波長為940um。發射距離主要由發射功率決定，可斟選功率20-100mW，正向壓降UF≤1.8 v，反向擊穿電壓Ur>5 v，型號為HG450的發光二極管。三極管的配選上將重點考慮集電極電流，流過發光二極管的電流就是三極管集電極電流，由于當二級管驅動電流，6較大時，實現上卻難于達到，故采用復合管，具體則選用3DG6和3DGl2，為了減少發射電流輸入對編碼調試電路的影響，需用反向器進行隔離。

2.1.2紅外遙控編碼器

編碼電路的作用：將并行輸出的控制代碼，按一定的順序處理編排，轉換為串行數據后送入調制，形成電路。目前，已有較多產品成果可用于遙控系統的編/譯碼集成芯片。

本次研究中，即將MCl45026與譯碼器MCl45027配對使用，具有如下特點：

1）能與射頻、超聲波或紅外線的調制器接口。

2）在二進制（0或1）或三態（0，1，開路）數據中能按址操作。

3）每個編碼序列數據傳送2次，提升了接收安全性。

4）采用RC振蕩器，無需使用晶體振蕩，且對外部元件的精度要求不高，允許有±5%的誤差。

5）應用領域范圍廣闊，如防盜、數據傳輸、無繩電話、安全控制、遙控系統。

2.1.3載頻產生與調制器

編碼信號直接傳輸，抗干擾能力差，傳輸距離近。為應對現有性質內置方面不足，需將編碼信號裝載在較高頻率的載波上來運行發射。這里的載波是指高頻脈沖波（方波），載波的產生電路，就是高頻方波振蕩器，本次設計采用門電路組成方波發生器，同時考慮利用編碼信號調制載波，故最終采納了可控振蕩電路。

2.1.4紅外接收模塊

紅外接收電路通常由一片專用集成電路和少量外圍器件而共同配合組成。本次研究即由HS0038主控構成了紅外接收電路。

紅外線接收遙控是目前使用日趨廣泛的一種通信和遙控手段，這在很大程度上可歸結為其在多方面的顯著性能優勢，分別表述為：抗干擾能力好、編碼及解碼容易、功耗小、成本低等。

紅外接收部分包括光、電轉換放大器、解調、解碼電路。

HS0038的輸出信號需要經過反相處理，處理后的信號才能送人MCl45027芯片來分析展開解碼。因此，在HS0038的輸出后需要加入74HC04反相器對信號進行反相處理。

2.1.5紅外解碼器

解碼電路的功能是將解調后的串行數據進行解碼，使其成為BCD控制代碼，并使控制代碼以并行方式提供輸出。MCl45027是與MCl45026配對使用的通用接收解碼器。特別地，針對MCl45027的內部結構及其組成的解碼電路的探討可知，數據提取電路的作用即是判別和檢測輸入數據的特性。

實際調試中，選定電容Crc為4 700 pf，調節電子Rrc，使145026輸出信號的頻率為2 KHz。此時測得RTc的電阻值為34.41 K，其中，固定電阻R21的值為20 K，電位器R23的值為14.41 K。根據上述參數將可計算求出R1、C1、R2、C2的需求數值。

收到的串行數據從MCl45027的第9引腳輸入，經數據提取電路判別后與序列發生器生成的本地地址碼再綜合執行指定校驗操作。

2.1.6譯碼器與控制器

譯碼電路是將解碼器輸出的4位二進制控制信號代碼復譯為與發射端相應的8路控制電平。選擇4個雙D觸發器74HC74，則可對8路信號的狀態實現精準控制，每收到一次信號，控制狀態就轉換一次。

2.2人機交換

本系統通過探索者STM32407的液晶顯示屏來標識呈現相應的控制操作，例如打開與關閉加熱功能按鈕號、打開與關閉消毒功能按鈕號、打開與關閉窗簾按鈕號等，病患可清晰選擇各定制功能，提高遙控的準確性。還通過51單片機連接ledl602液晶屏給出各個子模塊的視像展示參數，如溫濕度、光照強度、紫外消毒時間，并且能通過按鍵設置溫濕度的上下限、光照強度的上下限、以及消毒的時間長度。

3軟件設計與系統驗證

3.1軟件設計

至此，研究中探討設計了軟件總體架構如圖4所示。

核心控制模塊會顯示全部功能按鍵并由病患設定操作，根據子模塊顯示的數據，如溫度、濕度、光強，病患可根據需要通過遙控器進行按鍵控制，也可直接進行語音控制，發出的指令將送至STM32F407微處理器中展開探詢分辨，再將獲取的結果命令通過紅外發射出去，如果命令錯誤，便無模塊應答并提示命令錯誤：如果命令正確，則相應的子模塊會開啟執行其獨立預期功能，包括紫外消毒、自動調節加熱加濕、自動開啟關閉窗簾，并且子模塊會根據配置的量化參數自動調節控制環境中溫濕度、光強度等。

3.2系統驗證

紫外燈定時消毒包含可遙控、禁用檢測、警示、時間設置及系統狀態顯示等功能。紫外燈可在開啟和關閉功能選項中自由輪換，消毒的時間由護士或病人設定，比如可將紫外燈的開啟時間設定在病人外出時間段，在病人回來后紫外燈關閉。在紫外燈消毒期間，可通過人體檢測模塊對室內巡回檢測是否有人，若有人在內，則調用警示功能，會有語音提示如“紫外燈正在消毒，請勿在室內逗留”，紫外燈的狀態和設定時間都會在液晶上顯示出來，便于查看，紫外燈的開啟和關閉也可通過病人的需求發出命令控制。

室內環境自動調節包含可遙控、參數設置、溫濕度檢測、調節溫濕度等功能。護士可通過鍵盤穩妥設置適合病人的溫度和濕度范圍，若室內溫濕度超出該范圍，則自動開啟加熱器或加濕器，給病人營造一個良好舒適的生活環境，病人也可以根據自己的需求通過遙控器或語音而對加濕器和加熱器施加合理控制。

窗簾控制包含可遙控、室內亮度采集、亮度調節和參數設置等功能。研究在本系統中采用GY-30數字光模塊檢測室內外光強強度，并在液晶上顯示檢測數據，護士可通過鍵盤設定合適的光強范圍，如檢測到的光強強度低于該范圍，則關閉窗簾，若高于該范圍，則開啟窗簾，病人也可根據自己需求遙控或語音控制窗簾的開啟或關閉。

4結束語

通過研究設計和實踐調試，該系統最終開發并實現了如下完備功能：紫外燈消毒模塊可以定時對室內的環境進行消毒；室內環境調節模塊通過嚴密監控室內的溫度和濕度而對環境發出指示調節：窗簾控制模塊通過檢測到的光照強度來控制窗簾的打開與關閉。本系統兼備了低電磁輻射的特點，并且利用紅外無線互聯方式，把一些家居設施和基本醫療設備聯網，形成自動控制和遠程控制，可為病患，特別是臥床患者操控室內設施提供方便。同時，減輕醫護人員的工作強度，對緩解前文所述問題具有現實意義。