基于物联网的流食助推系统研究

张娜 张浩琨

山东理工大学/计算机科学与技术学院 山东 淄博 255000

引言

现如今对于有进食困难的病人，通常采用流食助推器，其基本的工作流程是将流食添加到流食助推器中，监护人通过操作流食器的控制台来控制进食的快慢。传统的鼻饲管容易堵塞，因需监护人操作导致喂食效率低下等问题逐渐显露出来。基于以上问题，我们设计出了一款智能流食助推器，利用物联网技术来解决这一系列问题。

1 产品设计简介

作品是一款利用物联技术，通过软件“智能流食”去控制下位机流食助推器的一款物联设备。下位机我们采用了STM32f103ZET6核心板作为主控制器，同时包含语音系统、电机控制系统、流食监测系统、环境监测系统等。主要目的在于利用“智能流食”APP智能控制及监测下位机，在APP中，监护人可以查看流食助推器所在房间的环境温湿度，流食存放器中流食的温度、存储量；同时监护人可以开启自动流食功能，通过APP设置每一次进食的时间、进食的流速、进食量和流食温度。当时间到达以后，首先流食助推器会通过语音模块来告知用户即将送食，一段时间后，通过点击助推流食到用户鼻中，在此过程可以控制流速。上位机的使用可以使设备脱离空间限制，即使在进食者无人监护的情况也能准确地为进食者设置进食的时间、进食量、进食温度，同时系统根据流食液位变化而检测鼻饲管有无堵塞，防止进食者因鼻饲管堵塞而意外呛着，提高了进食的安全性[1]。系统的原理框图如图1所示：

图1 系统原理框图

2 系统硬件设计

2.1 系统原理

系统采用STM32作为主控制器，芯片的片内外设资源非常丰富，含有本系统所需要的基本输入输出IO口、定时器、串口、AD模数转换、SPI通信接口、中断系统等。我们利用监测传感器来采集环境的温湿度、流食的温度、存储量，将此信息通过模数转换发送给单片机，控制器接收到数据后解析数据，存入内部flash中；同时单片机通过串口通信连接Wi-Fi模块，通过AT指令与模块进行通信，通过Wi-Fi将采集的数据传到服务器中进行数据解析，以App界面的方式反馈给用户，用户可以通过操作App的旋钮或者开关对下位机进行控制，比如时间、流食速度，流食量的设置，App操作简单，数据查看便利。此系统改善了现有流食助推器的工作方式，方便了用户的管理[2]。

2.2 通信电路的设计

系统采用WiFi的方式与上位机进行通信，原因在于现如今的Wi-Fi已经普及到各家各户、医院、疗养机构，利用手机进行物联网的连接已经成为大势所趋，连接过程较为简单；同时Wi-Fi连接方式凭借稳定性高、费用低、安全性强等使Wi-Fi在与物联网的连接中处于优势地位。系统采用ATK-ESP8266作为Wi-Fi模块，该芯片具有小尺寸、低功耗、高精度、低延迟的特点，保证上位机和下位机之间数据传输的准确性和高效性。

2.3 流食监测电路的设计

产品采用防水型DS18B20温度传感器作为流食温度监测的传感器，该模块可以满足系统所需要的温度监测范围和精确度；采用非接触式液位传感器Y25-PNP作为流食存储量的监控模块，该设计突破了容器壁的厚度限制，真正地实现了对封闭容器内液位高度的真正非接触检测。控制器收集到传感器的数据后通过单片机处理上传到服务器，以方便用户对设备的管理和操作。我们利用此模块单元作为鼻饲管堵塞状态的判断依据，当进食过程中流食液位不发生变化时，系统判断鼻饲管堵塞，自动停止本次自动进食并且语音引导进食者正确的处理方法和自救方法，极大地提高了此设备的安全性。

2.4 实时时钟电路的设计

系统采用带电池的DS3231实时时钟模块作为此系统的时间传输模块，模块通过IIC接口与单片机相连，为系统提供时间参考以保证对时间信息精准地处理，相比于单片机自带的RTC时钟，该模块能够保证在系统断电后，时钟仍然能够正常运行；同时为避免模块出现错误，服务器定时给下位机发送时间数据进行时间的同步，保证定时进食功能的正常进行[3]。

3 系统软件设计

系统服务器采用的是腾讯的云服务器，云服务器的使用可以最大程度上节省服务器的CPU资源，相较于物理服务器，具有投入费用低、管理成本低、安全性高、数据存储可靠等优势。App的开发采用c#进行编写，编写的文件是aspx动态网页文件，建立前端与服务器处理之间的联系。服务器通过socket进行端口监听，监测下位机的连接状态。下位机接入采用MQTT的通信协议，保证传输过程的低错误率，方便长时间的通信，服务器采用AJAX创建快速动态网页的技术来实时刷新网页，保证用户对软件的体验感。用户在软件中可以实时查看用户所在环境的温湿度、流食的温度和存储量、流食的流速和流食量；同时可以设置进食的时间等系列数据。App的使用减少了监护人的工作流程，提高了进食效率[4]。

为了方便开发，我们利用中移物联网开发平台进行数据展示，以制作简易界面。开发界面如图2、3所示：

图2 数据展示界面

图3 用户设置界面

4 结束语

通过本次设计，系统完成了针对难以正常进食人群的自动化进食，将传感器技术和物联网技术融合到智慧医疗行业中，让现代化物联设备代替监护人的监护成为可能。此系统的出现将会改善现有的喂食方式，对现代化的医疗服务起到很大程度上的促进作用，是未来服用流食的一种方式。物联网的发展推进了该项目的普及，智能流食助推器实用性很强，发展前景十分广阔。