基于用戶行為的多功能護理床系統設計

孫 偉，劉志泳，徐慶云

（廣州軟件學院，廣東 廣州 510990）

目前，護理床主要分為手動護理床和電動護理床。手動式護理床由最初只有單純抬背方式演變到現在既可抬背又可抬腿、屈腿等多種床面位姿方式。床面姿態變化的操作方式多用手動分別搖動各個體位把手，多數的手動護理床采用渦輪蝸桿傳動，它將旋轉運動方式轉化為直線運動方式。進入20世紀90年代，電動護理床在醫護設備中開始應用。電動護理驅動電機床多為市電220 V，它具有使用簡單方便、護理省時省工的特點，逐漸成為世界各國以及各個科研單位和商家研發的重點。目前，只有少數國家掌握了高端的多功能護理床技術，如歐美、日本等。其中最具代表性的公司如美國的Metrocare公司、Device link公司、HILL．ROM公司及日本的樂夢公司等[1-2]。

國內一些科研機構也開始對護理床進行研究。中國科學院研制的第一臺智能輪椅，開辟了該領域研究的先河。該輪椅系統擁有智能語音人機交互、視覺及指令巡航等功能，可以在人群中進行穿行。高振斌等[3]開發了一種具有智能監控護理床系統，該系統不僅可以監控病患的生理參數，而且可以對床體姿態以及異常情況實時監控。該系統在一定程度上完善了護理床系統的自動化功能，但是缺乏移動互聯功能，目前也是急需要解決的問題。蔣皆恢[4]等開發了一種護理床系統，利用物聯網+技術，該系統利用閉環控制、結構模塊化，醫護人員可通過移動互聯終端對其進行遠程操作，控制距離沒有了限制。但是并沒有對用戶的行為進行分析和優化，目前也是亟需解決的問題。

1 系統設計方案

本文綜合運用物聯網、傳感器檢測、無線傳輸等技術，設計一個可用于失能老人護理的護理床終端系統。護理床不僅可以多維度的動作，減輕使用者長期臥床帶來的病態，而且可以實時監控人體生理參數，保證使用者健康狀態及時反饋。本文描述的護理床系統具有的功能如圖1所示。

圖1 多功能護理床系統功能

2 系統硬件設計

2.1 多功能護理床的機械結構

護理床動作包括翻身、翻背、彎腿。這3個功能將床板分為3部分，其中翻背和彎腿功能由床頭和床尾2個床板實現，底下各安裝了絲桿電機，轉子固定在床架上，電機底部固定在床板上，2個床板與中間床板的連接處用合頁固定，當帶電機旋轉時，則帶動床板向一側抬升或下降；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，此處用普通步進電機直接翻轉床板。驅動器作用時將主控芯片的控制信號轉化為可驅動電機的電流信號，電機旋轉的角度和速度則由主控芯片和驅動器共同控制。

2.2 微控制器STM32f1zet6

主控芯片采用STM32F103ZET6。STM32F103ZET6具有多達144個引腳，其具有簡單可靠的開發方式，有利于縮短開發周期，且其具備的資源足以作為護理床各種功能的控制中心。

2.3 溫濕度檢測模塊DHT11

DHT11是一款有已校準數字信號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 心率檢測模塊PulseSensor

PulseSensor是一款用于脈搏心率測量的光電反射式模擬傳感器。將采集到的模擬信號傳輸給STM32f1zet6單片機，用來轉換為數字信號，再經過STM32f1zet6單片機計算后就可以得到心率數值。它的供電電壓為3.3 V或5 V，輸出信號大小0～3.3 V或0～5 V。

2.5 空氣質量檢測模塊MQ135

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

2.6 語音識別控制模塊MR-LD3320

LD3320是一個基于非特定人語音識技術的語音識別芯片。供電電壓為5 V，輸出高電平3.3 V，根據護理床系統動作特點，內部設置語音關鍵詞如：背升、背降、左翻身、右翻身、腿升、腿降等。為了提高人機交互性，設置人性化詞語如：“小護，小護，請背升起”，護理床系統得到動作語音，相應的做出動作響應。LD3320電路原理圖如圖3所示。

圖3 LD3320電路原理圖

3 系統軟件設計

3.1 終端多參數采集程序設計

終端多參數采集程序設計由空氣質量傳感器、溫濕度傳感器、血壓傳感器、心率傳感器等組成。系統會不停地采集各個傳感器數據，并判斷數據是否出現錯誤情況，還能通過分析數據對某個功能進行開啟，并將檢測到的數據實時上傳到云端，供手機端或網頁端查看。

3.2 終端體位動作程序設計

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

圖4 終端體位動作流程圖

3.3 其他終端平臺的程序設計

多功能護理床小程序共有3個底部菜單欄，分別為首頁、菜單以及個人。

其中首頁欄主要展示智能護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的數據，以及當前狀態下護理床的狀態，給予用戶最直觀的視覺體驗。并且能夠展示當前位置的天氣狀態，方便用戶為使用舒適度進一步作出調整。

菜單欄主要是進行人機交互使用，當用戶對護理床進行彎腰、翻身等操作，并記錄當前狀態，傳遞到服務器。

個人欄（用戶設置）是為了更加方便用戶的全面體驗，配備掃一掃、分享好友等基本功能，同時產品手冊以及關于我們這兩欄可以讓用戶更加了解護理床的使用操作。其他終端平臺功能如圖5所示。

圖5 其他終端平臺功能示意圖

4 試驗結果及分析

由于尚未正式投入商用運營，本次測試在模擬環境下進行。硬件測試環境：硬件護理床1個，手機1部，服務云平臺1個。

測試步驟：

（1）基礎動作測試包括按鍵動作、語音動作和微信小程序動作，測試結果見表1。

表1 基礎動作測試結果

（2）床體動作角度測試，測試結果見表2。

從測試結果可以看出，通過本系統，床體動作比較平穩，床體動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；同時實時進行生理參數監控，提供使用者健康狀態反饋，遇到突發狀況，及時報警反饋，從而降低病態風險。

表2 床體動作角度測試結果

5 結束語

本文詳細介紹了基于用戶行為的多功能護理床系統的產品功能、機械結構的設計方法以及硬件系統的設計和運用的微信小程序的框架與原理。該多功能護理床采用嵌入式STM32硬件系統，且本系統中的主控芯片采用STM32F103ZET6芯片，其具有簡單可靠的開發方式，有利于縮短開發周期。且其具備的資源足以作為護理床各種功能的控制中心實現了軟件定時器任務和舵機控制任務。護理床作為智能終端，通過智慧互聯網上傳數據，通過微信小程序實時監測用戶的身體數據，醫護人員可以實現遠程醫療，也可以通過醫療大數據實現監護、預警等智能護理功能。通過搭建的多功能智能護理床模型，驗證了本設計的可行性。