基于智能护理床的多功能床头设计

李姝丽 郭炘延 李昌祺 李星月 张子怡 朱成龙 方长安

摘要：该多功能床头主要采用STM32F407ZGT6主控板将集成式小型冰箱、加湿器、空气净化器、输液架、床头灯、床头桌、拐杖凳、自动语音提醒系统集合于一体，在合理运用家用电器的同时既保证人们的生活质量又充分利用了空间。另外，供电与动力系统单元化、模块化的设计使得多项功能协调运作，各项功能均通过触摸控制器予以实现对床头各项功能的智能控制。多功能床头操作方便，提高了床头的舒适度，丰富了床头的功能，适宜于现有家庭生活环境。

关键词：STM32F407ZGT6主控板;触摸控制器;智能床头

中图分类号：TP311      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）14-0056-02

随着社会的不断发展，市场也在不断变化，各种各样的产品也随着市场的发展不断走向智能化，而床作为我们日常生活使用频率最高的家具，对我们的健康和生活都起着至关重要的作用。尤其是用于老年人的护理床，床头功能单一，难以达到精准护理的要求，很难提供较为舒适健康的环境，虽然其中也不缺乏智能化的产品，但也难以充分满足人们的个性化需求，且市面上较多智能产品相对比较难操作。

为了改善这些问题，该设计研究智能化相关技术，设计了一款操作简单，功能多样的智能床头，相较于普通床头，该项目在设计上使产品更加贴近用户的生活，创新性地把多项功能结合在一起 且均为触屏，易于操作。在传统中进行突破，实现了传统设计的智能化升级，为人们带去了便利。

1整体结构理念

2017年国务院发布了《深化审评审批制度改革鼓励药品医疗器械创新的意见》，旨在减小医疗器械产业上市产品质量和国际先进水平之间的差距。我们根据前期调查发现，随着工作节奏加快，使得忙于工作的人们生活压力不断增大，免疫力低下，生病时缺少照顾，以及老年人群数量增加，尤其是老年人病中的护理时，一款功能强化的护理床尤其重要。我们设计了一款功能全而方便的智能床头，设计中将硬件与软件协调控制、相辅相成。

该智能床头通过触屏控制器可以实现各个系统的运行，为需要储存和冷藏的药物、美妆用品提供了示温可控冰箱，采用DS18B20数字温度传感器来实时监测温度，有DHT12数字温湿度传感器实时监测空气温湿度，以及具备可调节的空气加湿净化器，及时改善空气质量，并有三档亮度可调升降式床头灯，适用于多种环境。设计中将控制系统集成化、供电系统模块化，在打造简约器械的同时，告别单一选择，让家具器械更加高效，便于人们的生活。

2机械模块设计

机械模块主要包括床头桌及拐杖凳的设计，该设计运用榫卯结构，3D打印、铝合金/亚克力板激光切割，冲压弯折等技术。对零件不断进行设计、试用总结、改进优化，从而得到了一大批工作性能良好的零件，从而保证了整个项目的精度及运行流畅度。同时，在该项目的设计过程中，我们用SolidWorks对关键的零部件进行了有限元分析，根据实际加工形式进行针对性优化。最后，基于理论基础设计出了实物的展示模型，最终基于理论分析及客户需求调查统计完成了实物设计。

2.1床头桌

图1为床头桌。因使用频繁，移动距离也相对较大，用传统的电机设计很容易发生夹住杂物或人的危险，故其设计采用手动调节。床头桌静置时嵌入式位于床头右侧，采用旋转移动式手动调节，去辅助使用者学习、看报和吃饭等日常所需，另外，桌周围的挡板设计，使物体不易于滑落，更加的具有人性化。

2.2拐杖椅

在目前发生过的医疗事件中，摔倒很容易造成伤势的加重，甚至造成不可逆转的严重后果，因此我们设计的拐杖凳（图2）。运用了三角原理，在一定程度上增加了拐杖凳的稳定性，降低危险事故发生概率，同时，握把的设计采用人体工学设计原理，手感舒适、质感细腻，让使用者“稳如磐石”。

3 控制模块设计

控制系统指的是通过控制温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器等各传感器来采集周围环境情况，将有效信息采集后经过控制中心处理，最后实现对集成式小冰箱、加湿器、空气净化器、输液架、床头灯及自动语言提醒系统的控制，让智能床的使用更加便捷舒适，摆脱了传统智能床头的束缚，让智能床头变得更加多功能化。

3.1触摸显示屏

图3为触摸显示屏，通过图形用户交互设计将所有控制系统的功能集合于一体。液晶控制器（分辨率：480×800）显示屏配合XTP2046触控芯片和外部SRAM芯片，微控制器通过STM32内部外部的SRAM与液晶屏连接，就像是访问内存一样的访问控制器的GRAM显存，提高了显示屏屏幕的刷新速度。使用USART、I2C通信方式获取环境信息并显示，同时具备使用它能够显示当前护理床和环境状态以及控制所有功能开关，便于使用者学习操作，并提高了使用者的舒适度、安全性及护理者的便捷度，将人机交互充分展现。

3.2集成式小冰箱

由调查可知，像胰岛素、抗生素等资源稀缺、造价昂贵的药物大多均需储存在低温干燥的环境下，但目前市面上几乎没有一款智能床头具有低温储存药物的功能，因此一款可以储存药物并不造成二次药品污染的设计就变得至关重要，而集成式小冰箱（如图3）的设计其主要目的是为需要储存和冷藏的药物、美妆用品提供了示温可控冰箱，该集成式小冰箱通过采用DS18B20温度传感器检测显示温度，手动设定最佳温度，可自动调节冰箱内部温度，以便使药物处于最合适的温度，避免因家用冰箱而造成的药物二次污染，既能节省资源，又能提高药性。小身材大容量，灵巧设置，充分利用了空间。

3.3加湿器

调查发现，流行病多发期及死亡率高峰期均在干燥环境下。由此可见，预防流行病，一定要注意水分的供给，所以我们在床头正上方左侧添加了加湿器（图4）。它采用DHT12温湿度传感器检测空气温湿度，可自动检测并改善空气湿度，当空气环境中的温湿度低于某一设定值时，它就会自动控制雾化片以实现加湿空气环境的功能，方便加水，瞬间加湿，驱赶干燥，补水滋润，同时实现对房间温度的监测，防止使用者中暑或感冒等，提高了使用者生活空间的空气安全。

3.4 空气净化器

人体免疫机能相对薄弱时，空气污染严重会引起人们气管炎、肺炎等呼吸系统疾病，虽然开窗通风可以实现空气的流通，但依旧十分不利于人们的生活，但空气净化器（如图4）便可以很好地解决这一问题，我们将它嵌入式置于床头正上方右侧，通过YW-51G粉尘传感器对空气质量进行检测，并用2097CN滤棉对空气进行净化，为使用者提供良好的空气环境，促进代谢，与加湿器协调运作共同改善床头周围空气质量，提升使用者的免疫机能。

3.5自动语言提醒系统

在科技发展的今天，手机一代一代更新，但是手机里的备忘录却一直被人们使用着。备忘录便携，但记录内容越多越显繁杂，且没有实时提醒，基于人们对生活与学习的要求，该项目将自动语言提醒系统作为本次设计突出的亮点。

该系统由芯片控制，选择了带扬声器驱动的WM8978作为编码器芯片，加上SD存储模块以及LCD显示模块，构成了提醒器的硬件系统，结合用户输入的信息，实现用户的全方位提醒。使用者可以设置闹钟时间，将提醒的语音提前录制，到达指定时间后，智能床头便会按时进行语音播报，提醒使用者。该系统具有较强的实用性与适用性，就好像身邊始终跟随着一位不用支付薪水的秘书，令使用者使用起来游刃有余。

3.6输液架及床头灯

输液架的设计能够实现输液操作。同时，床头灯具有三档亮度可调节，通过改变通过LED的电流来实现亮度的调节，以适应不同的使用需求，使得使用者在晚上无障碍起夜的同时，也可以不打扰到别人休息。除此之外，床头灯还具有升降功能，运用步进电机与齿轮（图5）的密切配合，使灯杆可以智能化上下运作，以达到提升空间价值的作用。

4 总结

智能城市，智能社会是社会发展的主旋律，该项目涉及多个领域，通过分析智能床头的发展和现状，结合功能化，人性化等的设计理念，将人机交互应用于多功能智能床头，从而实现以人为本的全新智能床头的体验，是一个综合性的应用项目，具备较强的实用性和市场化潜力。

参考文献：

[1] 丁玉兰.人机工程学[M].2版.北京：北京理工大学出版社，2000.

[2] 陈启军，余有灵，张伟.嵌入式系统及其应用：基于Cortex-M3内核和STM32F103系列微控制器的系统设计与开发[M].上海：同济大学出版社，2011.

[3] 王玉昭.面向多功能护理床的机构设计与分析[D].上海：上海工程技术大学，2016.

【通联编辑：光文玲】