基于物联网的智能看护老人系统

徐晓骏，胡 意

（南京工业大学浦江学院 机电学院，江苏 南京 210000）

0 引 言

智能看护老人系统利用物联网技术，通过人体红外感应模块、振动传感器、压力传感器，运用多种数据处理技术，打破传统思维，达到传感器的数据融合，实现医院看护人员和护士及时了解病床上老人的睡眠情况、是否随意走动等情况[1]。同时伴随着物联网技术的快速发展，智能老人看护系统也向着多功能、高效率、方便性以及实时性的方向不断发展[2]。与国内外各类高科技智能看护系统相比，本项目更适合于城市下属的乡镇医院。据调查，在乡镇医院中使用国内外智能看护系统的占比不足1%[3]，而其中90%并不需要如此高级的系统。若换用本文所研究的老人看护系统则更高效，更加节约资金。

1 系统设计

系统工作流程：以压力信号和人体红外感应信号作为输入信号，由带A/D转换的单片机用无线模块传输至核心单片机STM32F103C8T6中；核心单片机收到输入信号后，将信号在液晶显示器上显示并实现蜂鸣器工作报警；另有一复位按钮解除蜂鸣器工作。

本设计以STM32F103C8T6单片机作为核心，外接无线模块、液晶显示屏、声光提示模块，并与STC12C2052AD单片机进行通信，获取压力传感器、人体红外感应电子模块、A/D转换模块等的数据，如图1所示。其中护士站部分主要负责接收数据以及报警提示；病床部分主要负责接收和读取传感器的数据。

图1 系统设计结构

2 硬件设计与主控选取

2.1 硬件选取

（1）压力传感器：为了确保输入信号的正确性和稳定性，本项目根据需要运用的场景选用柔性长条型薄膜压力传感器，同时薄膜状的传感器不会给人体带来不适感，且灵敏度高。

（2）液晶显示屏：使用Nokia5110液晶显示屏，相比同价格的其他显示屏，接口类型多、视窗范围大、性价比高。

（3）无线模块：选用的是NRF 2.4G无线模块[4]，可以与护士站处的STM32单片机进行SPI通信，实现六发一收，并且抗干扰能力强，可以设置自动应答，保证数据传输的可靠性。

（4）人体红外感应电子模块：将此模块和压力传感器结合确保输入信号的准确。本项目选用HC-SR501作为设计的一部分，它采用LHI788探头设计，静态电流仅65 μA，满足低功耗的需求。

（5）STC12C2052AD单片机：收到压力传感器和人体红外感应信号并将其转换为电平信号，根据低功效、超低价、高速以及强抗静电和抗干扰方面的特点选取了此单片机作为区域转换单片机[5]。

2.2 主芯片选取

护士站的主控芯片为STM32F103C8T6单片机，如图2所示，它比传统的STC89系列有更加优越的性能、更高的处理速度、更突出的抗干扰能力，而且有多个通信接口，使得处理效率大大提高[6]。

图2 STM32最小系统板实物

2.3 电路设计

由于本系统分为护士站和病床两个部分，因此在电路设计时，也相应分开单独设计。图3为处在中心位置的护士站电路；图4为处在外围各个病房处的传感器数据读取及处理电路。

图3 护士站处电路

图4 传感器的数据读取和处理电路

3 软件设计

3.1 软件流程设计

当打开电源开关时，程序就开始全自主运行[7]，其运行流程如图5所示。

图5 程序运行流程

3.2 程序设计思路

首先是设备进行初始化，接着检查护士站单片机与病房里单片机通信是否正常，再检测人体红外感应电子模块。如果人不在病床上，那么返回低电平，无线模块发送数据0X01，蜂鸣器发出“滴答”声；如果人在病床上，则用压力传感器测量老人躺在床上时的压力，并转化为电压值输出后与设定的阈值Th进行比较，如果高于阈值说明有异常情况，此时压力传感器返回高电平，无线模块发送数据0X02，蜂鸣器发出急促的“滴滴”报警信号。系统的逻辑真值见表1所列。

表1 系统的逻辑真值与发送数据对应

3.3 低功耗的处理

为了增强实用性，需对系统做低功耗处理[8]。在系统的硬件选取部分已做了相应考虑，但在软件设计中为了满足老人看护系统实时检测的需求，可被优化的低功耗处理主要针对无线通信部分。

采用按需求唤醒无线模块的策略，即在判断老人正常睡眠的情况下，无线通信模块处于休眠状态，只有在老人下床或者异常情况下无线通信模块才被唤醒，并发送数据[9]。

考虑到在实际应用场合，一个病房通常有2～3张床。如果异常情况同时出现在同一病房时，只需要唤醒一个无线通信模块即可，这样能最大限度地实现低功耗。

3.4 稳定性的保障

在追求低功耗、尽可能减少发射次数的同时，稳定性也不能忽视，所以采取在程序里做应答，如果发送后收不到接收方应答，就再重新发送[10]。

4 数据采集分析

4.1 压力传感器特性曲线的整定

先 选取标 准质量的砝码 5 kg、10 kg、20 kg、25 kg、50 kg，测得的对应输出端口电压见表2所列，拟合出曲线如图6所示。

表2 不同质量砝码对应的输出端口电压

图6 压力传感器的输入输出曲线

由图6可以直观看出输出端口电压值与传感器上方质量基本呈线性关系（在不考虑重力加速度的情况下）。斜率小于零，并且随着质量增大，斜率的绝对值略有减小。选取（5，3 004）和（50，609.5）这两个点，计算平均斜率k=-53.211 1，则该特性曲线可以近似写成一次函数：

在模拟真实情况进行验证时，空载的情况下，端口电压为3 300 mV。一位体重为54.55 kg的老人坐在上面，得到电压值为382 mV；一位58.25 kg的老人坐在上面，得到电压值为210.2 mV。与理论值相比的结果见表3所列。

表3 人员验证结果

由表3结果可见，误差仅有十几毫伏且在测量仪器精度允许的范围内，可以认为真实情况与拟合出的曲线吻合较好。

4.2 压力传感器的评估

在特性曲线拟合完成后，可以预测出压力传感器的有效量程。在式（1）中令y=0得x=62.017，所以有效量程在0～62 kg范围内。由于人躺在床上时，压在传感器上的重量仅仅是体重的一部分，所以能够保证传感器工作在线性区域，保证其应有的灵敏度，能够满足绝大多数情况的检测。

4.3 异常情况的检测判断

在模拟真实情况调试时，将STM32单片机配置成ADC采集模式，并将实时检测到的电压值通过串口发送给上位机，保存这些数据并绘制成曲线，如图7和图8所示。

图8 人躺在床上挣扎时的电压波动

观察曲线图，发现电压值在200～600 mV范围内波动，可以认定为正常睡眠。为了使该系统具有更好的适应性，可以将800 mV作为电压的比较阈值Th。

5 综合调试

为了验证800 mV是否满足准确度的要求，以及验证无线通信模块的可靠性，安排实验人员进行模拟实验，其统计结果见表4所列。

表4 动作行为验证结果

由表4中的数据可知：下床动作识别率为100%；对于睡眠状况的实验，异常情况识别率为99%，漏报率为1%，误报率为3%；对于无线通信模块，通信成功率为99.5%，其中一次通信成功占比96.5%。

6 结 语

本文设计的智能看护系统包括人体红外感应模块，其辅助光敏传感器能够定性地检测老人是否在床上，也可以处理压力传感器的电压信号，定量地分析出老人的睡眠状况，当遇到咳嗽、挣扎等异常情况时可以及时发出警告。除此之外，依靠无线通信模块可以达到远程动态感知信息的效果，成本低，效率高，还能够实时统计并上传数据，并且声光警示具有及时性、便捷性，低功耗的程序处理模式使得该系统的续航能力强，具有较好的推广价值。