基于STM32的壓瘡預防提醒坐墊的系統設計

蔣帥帥，周志峰

（上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引 言

壓瘡是臥床病人由于局部組織長期受壓，發生持續缺血、缺氧、營養不良而導致組織潰爛壞死的一種現象，每年約有6萬人死于壓瘡合并癥。隨著中國逐漸步入老齡社會，長期臥床的老人群體則愈加引起社會重視，同時各醫院手術治療后臥床病人也在增加，如何預防壓瘡是康復治療和護理中一個難題。針對這一問題，設計開發一種壓瘡預防提醒系統，對臥床病人和老人進行實時監測預警，提高壓瘡預防的高效率和針對性，具有重要意義。

1 系統方案設計

圖1為新型分布式壓瘡監護系統的系統結構圖。由圖1可知，系統分為陣列壓力點采集部分、電源管理部分、語音播報部分、系統調試接口部分。陣列壓力點的采集硬件上采用行列多路模擬分時切換，結合DMA讀取的方式，實現同一時刻對4路壓力點的并行采集；通過柔性薄膜壓力采集床墊對久坐人員壓力的采集，系統處理感知到病人出現久坐或是久臥事件，則觸發語音提醒，告知病人及時活動身體；當病人離開柔性床墊時，系統自動進入低功耗模式，病人再次觸壓到床墊時，系統自動從低功耗模式喚醒；系統自帶鋰電池支持充放電，便攜性強，也可用于辦公族的智能久坐提醒坐墊，有效避免久坐對人體產生的傷害。

圖1 系統結構圖Fig.1 System structure diagram

2 主要硬件電路設計

2.1 SOC中心控制器

人體接觸壓力的采集處理和整個算法的實現選用的嵌入式平臺為STM32F103RET6，該增強型MCU使用的是高性能ARM?Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達512 K字節的閃存和64 K字節的SRAM），豐富的增強I／O端口和聯接到2條APB總線的外設，強大的外設接口和完善的庫函數，編程簡單易學。

2.2 陣列壓力點采集電路的設計

圖2是本作品使用的柔性壓力傳感器實物圖，采用32行32列陣列式設計，1 024個獨立感應單元分布在400 mm*400 mm的正方形之內，每個感應點尺寸為8.5 mm*8.5 mm。圖2（b）中，（1）為列線，（2）為行引線，（3）為單個壓力傳感器。該款分布式壓力傳感器每個感應點采用獨立設計，實現最小干擾。陣列分布式柔性薄膜壓力傳感器是通過精密印刷工藝，將納米力敏材料、銀漿等材料轉移到柔性薄膜基材上，經干燥固化制作而成。

圖2 柔性薄膜壓力傳感器Fig.2 Flexible film pressure sensor

本作品使用的柔性壓力傳感器在受到壓力時，電阻隨壓力增大而減小，其壓阻特性表現為電阻與壓力呈冪函數關系，電阻倒數與壓力呈近似線性關系。

圖3是傳感器采集量化電路等效電路圖，采用的是同相比例放大電路，使用的運放為MCP6004T，單電源供電，供電電壓為3.3 V。這里，R是單個壓力傳感器的等效電路圖，R的電導隨著壓力的增加而線性增加，R是反饋電阻，圖3中的a部分是參考電壓電路，使用的是REF3012參考電壓芯片，輸入3.3 V，輸出為1.25 V，經過2個20 K的電阻分壓后產生0.625 V的電壓，然后連接到運放的同相端，即運放的同相端輸入電壓V＝0.625 V，利用理想運放的虛短和虛斷得：

圖3 單個壓力點采集的等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit diagram of a single pressure pointcollection

研究可知，單個從機系統實現1 024個壓力點的采集算法步驟具體如下。

（1）采集的順序是從上到下逐行地采集，將單片機GPIO口配置成推挽輸出，通過控制單片機6個GPIO口控制2片16路行多路模擬開關的片選線（如圖4中H_A_4和H_A_5）和對應地址線（如圖4中H_A_0、H_A_1、H_A_2、H_A_3為行地址線，V_A_0、V_A_1、V_A_2為列地址線）選通，一次選通一路行引線H（0≤≤31）。首次取0，從第0行開始，后續逐行依次遞增。

圖4 1 024個陣列壓力點采集原理圖Fig.4 Principle diagram of 1 024 array pressure points collection

（2）同理，通過單片機的3個GPIO口控制4片8路列多路模擬開關的片選和地址線選通，一次選通4路列引線V（0≤≤31），4路對應的下標分別為、8、16、24（0≤≤7）。首次取0，則分別為0、8、16、24，即V、V、V、V列同時選通，后續依次遞增。

（3）結合原理圖，圖3是單個點采集的等效電路圖，選通的4個壓力采集點為（，）、（，8）、（，16）、（，24），一端經過行多路模擬開關接地，另一端分別經過4個列多路模擬開關接到MCP6004T內部的4個同相放大電路的反相輸入端。

（4）本實例中采用的是壓阻式傳感器，當壓力墊壓力發生變化，R的電導會隨著壓力成線性變化，（，）、（，8）、（，16）、（，24）壓力采集點可以等效于R。由式（1）將以上4個點壓阻信號經過4個同相放大電路量化為電壓信號，送入單片機ADC的4個輸入通道中，單片機讀取保存。

（5）重復步驟（2）～（4），直到將第0行所有壓力點采集完成，后續逐行依次遞增。

（6）再依次重復步驟（1）和（5），直到將32行*32列、共1 024個壓力點采集完成。

（7）由于是對4個信號的同時采集，采用的是ADC+DMA獨立模式多通道采集的方式，DMA采用的是ADC到內存的方式，初始化配置完成，DMA自動將4路模擬信號采集好放到指定內存中，不需要設置延時等待，實現一次同時對4路壓力點的并行采集。

2.3 語音播報電路的的設計

主控制器和SYN6288語音合成芯片之間通過UART接口連接，控制器可通過通訊接口向SYN6288語音合成芯片發送控制命令和文本，SYN6288語音合成芯片把接收到的文本合成為語音信號輸出，輸出的信號經功率放大器進行放大后連接到喇叭進行播放。系統組成如圖5所示。語音播報電路原理如圖6所示。

圖5 SYN6288系統組成框圖Fig.5 SYN6288 system block diagram

圖6 語音播報電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of voice broadcast circuit

2.4 低功耗喚醒電路的設計

低功耗喚醒原理如圖7所示。當LM393電壓比較器的“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路，這里設計的是通過10 K上拉電阻接高電平。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接地。

圖7 低功耗喚醒原理圖Fig.7 Low-power wake-up schematic diagram

設計思路是，首先調節電位器將運放的反相端電壓調節到0.5 V，當人離開壓力墊時，控制器讀得陣列壓力點的壓力和會很微小，那么相應運放輸出的電壓也很小。程序里，首先將1 024個點的壓力求和記為_，通過判斷_的數值大小來判斷人已經離開壓力墊，當人離開壓力墊時則將多路模擬開關選通到（0，4）、（0，12）、（0，20）、（0，28）和（16，4）、（16，12）、（16，20）、（16，28）的壓力采集點（如圖8所示行列的選通的交合處），然后進入低功耗休眠模式，單片機內核時鐘關閉。當人再次觸壓到壓力墊時，（0，4）和（16，4）對應ADC0，（0，12）和（16，12）對應ADC1，（0，20）和（16，20）對應ADC2，（0，28）和（16，28）對應ADC3，當以上壓力點只要有一個被按壓，都會觸發比較器，輸出高電平，然后觸發單片機Wake up引腳，單片機從低功耗喚醒。

圖8 低功耗時多路開關靜態選通點Fig.8 Multi-channel switch static gating point at low-power consumption

3 軟件設計

3.1 軟件總體設計

至此，文中給出的系統研發結構如圖9所示，軟件總體設計流程如圖10所示。由圖10可知，首先整個控制系統要對系統時鐘初始化，其次對各個模塊進行初始化，當外設初始化完成后會有語音提示初始化完成，然后是控制器對1024個壓力點的采集和處理，處理完成后進入壓瘡語音提醒處理程序。當單片機通過柔性薄膜壓力傳感器監測到病人皮膚組織受到長時間壓迫時引起久坐久臥事件，則觸發智能語音提醒，提示病人及時活動一下被長時間壓迫的身體部位，否則進入靜默監護模式；當單片機監測到病人離開坐墊時，則系統立刻進入低功耗模式，當坐墊再次受到按壓時，則系統從低功耗模式下喚醒進入監護狀態。

圖9 系統結構圖Fig.9 System structure diagram

圖10 軟件總體設計流程圖Fig.10 Flow chart of software overall design

3.2 采集數據預處理

（1）原始數據：根據柔性力敏傳感器的結構特點，用F（）表示陣列傳感器在坐標（，）位置敏感單元時刻的原始采樣值，則傳感器在時刻的采樣信息（）可以用公式（2）所示的矩陣形式來表示，形式上類似于數字圖像中的2-D灰度圖像：

其中，和分別為圖像序列中行數和列數，本文中和均為32。

（2）數據預處理：在數據采集的過程中，由于震動和電磁干擾等原因可能會產生一些雜點數據，因此需要對原始數據進行預處理，消除圖像中混入的噪聲。均值濾波是一種線性濾波算法，就是指在圖像上對目標像素給一個模板（本次設計選取的模板尺寸為3×3，即以目標像素為中心的周圍8個像素，構成一個濾波模板），該模板包括了其周圍的鄰近像素，再用模板中的全體像素的平均值來代替原來像素值。研究推得的數學運算公式為：

其中，F為原始數據；g為濾波后的數據；為該模板中包含當前矩陣在內的元素總個數。綜上研究可得數據預處理代碼參見圖11。

圖11 數據預處理代碼Fig.11 Data preprocessing code

3.3 壓瘡預防提醒算法的實現

壓瘡預防提醒算法流程見圖12。壓瘡預防提醒算法的流程為：

圖12 壓瘡預防提醒算法流程圖 Fig.12 Flow chart of pressure ulcer prevention reminding algorithm

（1）分別設置壓瘡語音報警提醒的監測壓力閾值、時間清零的總的壓力波動偏差閾值_和提醒時間閾值。

（2）初始化壓瘡監護時間計數0。

（3）單片機讀取每個壓力數據F，求和得總的壓力點數據和為_。

（4）判斷是否病人身體與坐墊的接觸壓力_且_。

（5）如果是，那么病人身體與坐墊之間壓力大于警報監測閾值，則判斷人在病床上，同時皮膚組織與床單之間的壓力波動_很小，判斷一直受到壓迫，計數時間開始按每1 s加1。

（6）如果否，可能是病人暫時離開病床導致幾乎檢測不到壓力，或是病人自身身體翻動導致單位時間內總的壓力波動絕對值_大于設置的壓力波動值，所以認為沒有產生壓瘡的可能，于是將壓瘡監護時間計數清零。

（7）判斷計數時間是否大于語音提醒時間閾值。

（8）如果否，則認為人體皮膚組織雖然受到壓迫，但時間短暫，還沒有達到觸發壓瘡語音提醒的閾值時間，則繼續進行監測。

（9）如果是，則認為病人皮膚組織受到很長時間的壓迫，如果再繼續壓迫，就會產生壓瘡，于是觸發語音報警，語音模塊發出壓瘡語音提醒，提示病人及時活動一下被長時間壓迫的身體部位。

3.4 實驗過程

本實驗以久坐提醒為例，當實驗人員坐在壓瘡預防提醒墊上后，首先是系統低功耗檢測電路檢測到坐墊受到按壓，觸發單片機wake_up引腳，單片機立刻從低功耗休眠狀態下喚醒。當實驗人員扭動身體時，可通過壓瘡預防提醒算法判斷為非久坐事件，則不觸發壓瘡預防語音提醒；當實驗人員坐在監護坐墊上不晃動身體且久坐超過50 min后，單片機通過壓瘡預防提醒算法判斷為久坐事件，則觸發語音提醒，提示實驗人員及時活動一下被長時間壓迫的身體部位來避免壓瘡的產生：當實驗人員活動身體，則語音提醒立刻關閉；當實驗人員離開坐墊后，則坐墊監護系統立刻進入低功耗休眠模式，當實驗人員再次坐下時系統立刻從低功耗模式喚醒進入壓瘡預防監護狀態。壓瘡預防提醒系統樣機和實驗過程如圖13所示。圖13中，（a）為開發的樣機實物圖，（b）為實驗過程和利用壓力墊采集到的人體臀部受力大小的分布云圖。

圖13 壓瘡預防提醒系統樣機和實驗過程Fig.13 Prototype and experimental process of pressure sore prevention reminding system

4 結束語

本次研究是一個將醫院護理問題與傳感器感知技術結合的設計，利用該壓瘡預防提醒系統能夠有效地提醒醫院病人避免久坐或久臥，能夠很好地預防了壓瘡的產生，同時也進一步降低了醫院的護理成本。本系統設計成本適中，實用性強，便于攜帶，可以廣泛用于住院病人和居家病人的日常護理。