基于用户行为的多功能护理床系统设计

孙 伟，刘志泳，徐庆云

（广州软件学院，广东 广州 510990）

目前，护理床主要分为手动护理床和电动护理床。手动式护理床由最初只有单纯抬背方式演变到现在既可抬背又可抬腿、屈腿等多种床面位姿方式。床面姿态变化的操作方式多用手动分别摇动各个体位把手，多数的手动护理床采用涡轮蜗杆传动，它将旋转运动方式转化为直线运动方式。进入20世纪90年代，电动护理床在医护设备中开始应用。电动护理驱动电机床多为市电220 V，它具有使用简单方便、护理省时省工的特点，逐渐成为世界各国以及各个科研单位和商家研发的重点。目前，只有少数国家掌握了高端的多功能护理床技术，如欧美、日本等。其中最具代表性的公司如美国的Metrocare公司、Device link公司、HILL．ROM公司及日本的乐梦公司等[1-2]。

国内一些科研机构也开始对护理床进行研究。中国科学院研制的第一台智能轮椅，开辟了该领域研究的先河。该轮椅系统拥有智能语音人机交互、视觉及指令巡航等功能，可以在人群中进行穿行。高振斌等[3]开发了一种具有智能监控护理床系统，该系统不仅可以监控病患的生理参数，而且可以对床体姿态以及异常情况实时监控。该系统在一定程度上完善了护理床系统的自动化功能，但是缺乏移动互联功能，目前也是急需要解决的问题。蒋皆恢[4]等开发了一种护理床系统，利用物联网+技术，该系统利用闭环控制、结构模块化，医护人员可通过移动互联终端对其进行远程操作，控制距离没有了限制。但是并没有对用户的行为进行分析和优化，目前也是亟需解决的问题。

1 系统设计方案

本文综合运用物联网、传感器检测、无线传输等技术，设计一个可用于失能老人护理的护理床终端系统。护理床不仅可以多维度的动作，减轻使用者长期卧床带来的病态，而且可以实时监控人体生理参数，保证使用者健康状态及时反馈。本文描述的护理床系统具有的功能如图1所示。

图1 多功能护理床系统功能

2 系统硬件设计

2.1 多功能护理床的机械结构

护理床动作包括翻身、翻背、弯腿。这3个功能将床板分为3部分，其中翻背和弯腿功能由床头和床尾2个床板实现，底下各安装了丝杆电机，转子固定在床架上，电机底部固定在床板上，2个床板与中间床板的连接处用合页固定，当带电机旋转时，则带动床板向一侧抬升或下降；而中间的床板又分为3部分，中心圆形部分为排便口，两边则是用于左右翻身，此处用普通步进电机直接翻转床板。驱动器作用时将主控芯片的控制信号转化为可驱动电机的电流信号，电机旋转的角度和速度则由主控芯片和驱动器共同控制。

2.2 微控制器STM32f1zet6

主控芯片采用STM32F103ZET6。STM32F103ZET6具有多达144个引脚，其具有简单可靠的开发方式，有利于缩短开发周期，且其具备的资源足以作为护理床各种功能的控制中心。

2.3 温湿度检测模块DHT11

DHT11是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。其精度湿度±5%，温度误差±2℃，量程湿度5～95%，温度量程-20～+60℃。由于它超小的体积、极低的功耗，在温湿度检测元器件中作为最佳选择。与微控器（MCU）连接如图2所示。

图2 DHT11与MCU连接图

2.4 心率检测模块PulseSensor

PulseSensor是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器。将采集到的模拟信号传输给STM32f1zet6单片机，用来转换为数字信号，再经过STM32f1zet6单片机计算后就可以得到心率数值。它的供电电压为3.3 V或5 V，输出信号大小0～3.3 V或0～5 V。

2.5 空气质量检测模块MQ135

为了检测使用者是否有排便的倾向，使用空气质量检测模块MQ135。MQ135主要用于检测空气中的二氧化碳、酒精、苯、氮氧化物、氨等气体的浓度。检测浓度在10～1 000 ppm（氨气、甲苯、氢气），供电电压为5 V。

2.6 语音识别控制模块MR-LD3320

LD3320是一个基于非特定人语音识技术的语音识别芯片。供电电压为5 V，输出高电平3.3 V，根据护理床系统动作特点，内部设置语音关键词如：背升、背降、左翻身、右翻身、腿升、腿降等。为了提高人机交互性，设置人性化词语如：“小护，小护，请背升起”，护理床系统得到动作语音，相应的做出动作响应。LD3320电路原理图如图3所示。

图3 LD3320电路原理图

3 系统软件设计

3.1 终端多参数采集程序设计

终端多参数采集程序设计由空气质量传感器、温湿度传感器、血压传感器、心率传感器等组成。系统会不停地采集各个传感器数据，并判断数据是否出现错误情况，还能通过分析数据对某个功能进行开启，并将检测到的数据实时上传到云端，供手机端或网页端查看。

3.2 终端体位动作程序设计

终端体位动作控制由按键控制、语音控制和远程控制组成。根据实际需求情况，采用合适的控制方式。按键控制可以控制床体动作角度在0～90°范围，满足不同护理者舒适体位需求。语音控制增加互动智能化、人性化，解放护理者双手；远程控制满足远程操作需求，对在异地家人可以远程了解护理者身体情况，并可以远程控制床体动作达到护理的目的。终端体位动作具体流程如图4所示。

图4 终端体位动作流程图

3.3 其他终端平台的程序设计

多功能护理床小程序共有3个底部菜单栏，分别为首页、菜单以及个人。

其中首页栏主要展示智能护理床配备的温湿度传感器、MQ135传感器以及心率等多种传感器检测的数据，以及当前状态下护理床的状态，给予用户最直观的视觉体验。并且能够展示当前位置的天气状态，方便用户为使用舒适度进一步作出调整。

菜单栏主要是进行人机交互使用，当用户对护理床进行弯腰、翻身等操作，并记录当前状态，传递到服务器。

个人栏（用户设置）是为了更加方便用户的全面体验，配备扫一扫、分享好友等基本功能，同时产品手册以及关于我们这两栏可以让用户更加了解护理床的使用操作。其他终端平台功能如图5所示。

图5 其他终端平台功能示意图

4 试验结果及分析

由于尚未正式投入商用运营，本次测试在模拟环境下进行。硬件测试环境：硬件护理床1个，手机1部，服务云平台1个。

测试步骤：

（1）基础动作测试包括按键动作、语音动作和微信小程序动作，测试结果见表1。

表1 基础动作测试结果

（2）床体动作角度测试，测试结果见表2。

从测试结果可以看出，通过本系统，床体动作比较平稳，床体动作角度误差率控制在4%，提供使用者在安全操作的前提下增加便利性；同时实时进行生理参数监控，提供使用者健康状态反馈，遇到突发状况，及时报警反馈，从而降低病态风险。

表2 床体动作角度测试结果

5 结束语

本文详细介绍了基于用户行为的多功能护理床系统的产品功能、机械结构的设计方法以及硬件系统的设计和运用的微信小程序的框架与原理。该多功能护理床采用嵌入式STM32硬件系统，且本系统中的主控芯片采用STM32F103ZET6芯片，其具有简单可靠的开发方式，有利于缩短开发周期。且其具备的资源足以作为护理床各种功能的控制中心实现了软件定时器任务和舵机控制任务。护理床作为智能终端，通过智慧互联网上传数据，通过微信小程序实时监测用户的身体数据，医护人员可以实现远程医疗，也可以通过医疗大数据实现监护、预警等智能护理功能。通过搭建的多功能智能护理床模型，验证了本设计的可行性。