多功能老年护理床系统

多功能老年护理床系统摘要现如今，医院的护士们，护理老人面临不能实时监测病人的身体状况这个痛点，这样可能会影响到病人的最佳治疗时间。而市面上出现的监测设备价格比较昂贵，如果大规模使用到医院，将带来很大的经济投入，因此，开发价格便宜的，测量精度高的老年人护理监测床设计是非常必要的。该系统以STM32为核心，与温湿度传感器相结合，心率传感器，血压监测模块，显示屏等电路完成一个具备多种人体参数测量的系统。这个系统能够利用云平台将数据进行显示，以供家人或者护士远程查看，此设计主要分为硬件设计，软件设计以及云端设计三个部分构成。该设计的研发对于老年人的身体监护具有重要价值。STM32单片机;护理床;传感器;WIFI目录TOC\o"1-3"\h\u第1章绪论 复位电路的主要作用是当电路出现故障，比如卡死的状况时，能够及时回到开始的情况，不耽误时间。STM32采用系统复位方式，通过NRST引脚低电平对Cortex-M3处理器和寄存器进行复位，NRST引脚低电平由按键控制，控制电路如图3-5。图3-5单片机最小电路ESP-01S，也被称为ESP8266，目前是一个通用的网络规划。芯片使用DIP8进行封装，它有俩个输入输出端口，UART协议可用。可以调整串口速度，预设设置为115200bps。因此，当使用它时，需要保证用于主机和WIFI模块之间通信的波特速率是相等的。它的频率是2.4G，频率范围2412~2481MHZ。平均能耗很低，最低为71mA。3.3v足够供电，为了使用这种芯片，需要将单片机的RX端口连接到它的TX，将单片机的TX端口连接到它的RX便能够实现系统的通信功能。ESP-8266与单片机芯片连接的示意图如图3-6所示。图3-6ESP8266WIFI模块引脚图MAX30102是一个综合的血氧和心率监测控制系统。它包括LED、光电子探测器、低噪声电子设备和光学电子器件，以阻挡周围的光。MAX30102还建立了一种新的信息系统步骤，来改进移动电话和可穿脱设备的运行程序。MAX30102在一个内部1.8V的LED的0.5V的电源上运行。该模块的通讯方案是使用符合I2C标准的端口。模块可以由具有零电压或待机功能的软件关闭，并且可以随时保持电源。如图MAX30102心率检测模块电路图3-7所示。 图3-7MAX30102电路图使用DHT11作为体温检测模块核心，主要根据其传感器手册使用。DHT11传感器的测量范围是20-90%RH0-50℃,这是适合家庭的制度。其精度RH5%,2℃,并通过四针直插式结构。一般来说，单线协议被用来使用双向信号将数据传输到单片机上。一般来说，传输的数据可以一次传输40位，高位是第一位的。将传感器硬件连接到主机计算机相对容易。将传感器的2脚连接到单个芯片上的15脚。相当于连接DOUT端口和PA5端口，传感器是同时供电的。温度和湿度传感器与核心部分之间的连接示意图如图3-8所示。图3-8温湿度传感器与主机连接原理图湿度传感器，它的原理其实和光敏电阻原理相似，其使用的两个金属的电极接触被测物比如被子，这样就能感应到在被子当中的水分，其实也就是感应其导电性，床褥的湿度越高那么所对应的导电能力就越强，电阻的变化进而转化为熟悉的电压的变化，如此就能反应出湿度的大小。传感器使用了LM358驱动，那么对应的湿度反应出来的电路的电压就会越大，这样输出信号后就会更加多准确，本次使用的是STM32实现电压的转换的，把模拟的电压值转化为数字值。湿度传感器与单片机连接端口如图3-9所示。图3-9湿度传感器与单片机连接原理图CZ3457血压监测模块利用一个精准度高的AD采样芯片，气压传感器采用型号是0-40kPa，可用于水位或其他气压的检测，在这里我们主要用它监测血压，在3.3-5V电压范围内工作，迷你小巧，节约电路板空间，其原理图如图3-10所示。图3-10压力传感器与主机连接原理图用OLED12864作可视化屏幕，当前已普遍用于各类设计的研究和开发，其拥有高对比度以及高分辨率，可实现128*64像素，大小是只有0.96寸，3.3V的电压即可运行，屏幕接口一般用的是IIC，这样接口数量不多，比较方便。它主要包括信号端口SCL和数据端口DO，以及电源和接地端口。它的DO端口连接到PB12，SCL端口连接到PB13。显示屏与单片机之间的连接示意图如图3-11所示。图3-11显示屏与单片机连接原理图本设计运用一个有源的蜂鸣器作为报警模块，以用于发出警示，让居住者及时察觉危险，它本质上是一种声音产生装置，固有用作信号设备的作用。因为他是有源的，所以能够单独独立播放声音。要做到这一点，用户只需打开或关闭它。再加上它的声音大小会比无源蜂鸣器更响。如图3-12，蜂鸣器模块的示意图。图3-12蜂鸣器报警模块原理图

如图所示是本项目课题研究开发的软件系统的主程序流程图，在主过程中主要完成的工作是初始化系统的正常运行结果，在初始化完毕以后再借助于定时检测，当每个时间间隔为十毫秒的时候，程序运行结果就会到监测服务子过程中，在运行完毕以后再等到十毫秒的时候继续执行循环动作。系统软件程序中的大多数的控制类函数，都是在监测服务子程序中完成允许的。如图4-1主程序框图所示。图4-1系统主程序框图可视化程序是一个子程序，它是指导可视化屏幕在这个系统中可视化的关键程序。事实上，可视化屏幕进行显示流程可以分为几个部分。第一步是判断位置，接着确定行和列的地址，并实现OLED可视化。一旦脚本程序出现，就会对显示是否成功进行评估。如果它不成功，你需要继续编写，进一步更新它，以判断是否有变化，如果有变化，就会重写数据。驱动程序的流程图如图4-2所示。图4-2显示驱动流程图收集温度和湿度是非常重要的，这里的温度和湿度收集程序是一个子例程，它主要控制DHT11来完成单总线通讯协议来完成它的收集。为了让DHT11工作，必须先进行激活。这里选择的方法是将D0连续20ms降低为低电平，然后将D0连续60ms升高为高电平。这个部分就是单片机芯片发出的触发信号，接下来，单片机芯片将进入接收器阶段，在接收之前判断是否回复。应答后，将会收到低位和高位数据两个数据读数，然后计算，最后返回。温湿度采集程序流程图如图4-3所示。图4-3温湿度采集程序流程图这个设计使用ESP-01S，为了可以连接到无线网络并发送数值。无线网络接入方案也是子程序的一类，把它设置成STA模式可以确保该设备连接到无线网络的性能正常，接下来连接热点，再判定能否正常连接，正常运行的情况下返回，然后将被载入程序和服务器。如图4-4所示，无线网络接入程序流程图。图4-4无线网接入程序流程图单片机进行初始化，然后温湿度传感器、心率传感器、血压监测模块开始进行相应的数据监测，当监测到的数据超出开始设置的阈值，这时候蜂鸣器会报警，提醒人们出现了异常。蜂鸣器报警程序的设计流程图如图4-5所示。图4-5蜂鸣器程序的设计流程图血压传感器的原理主要是基于压力传感器的工作原理，即通过测量压力的变化来获得血压的数值。当血液流经动脉时，会对动脉壁施加一定的压力，这种压力会被传感器感知并转化为电信号，从而实现对血压的测量。当用手按压血压传感器时，数据由初始化开始发生变化，同时传送至显示屏，当数据超过阈值时蜂鸣器报警，数据未超过阈值时重复之前动作。其血压传感器流程图如图4-6所示。图4-6血压程序的设计流程图心率传感器，不过是拇指般大小，却能测量到心跳的频率。心率传感器采用光学技术，利用皮肤毛细血管里血液中氧含量的变化，实现与之相对应的人的心跳，该模块能够简单，方便地实现心跳的测量。具有很高的使用价值。当用手触碰到心率传感器时，显示屏会显示数据，当数据超出阈值时，蜂鸣器报警，未超出阈值时蜂鸣器没有任何变化。其流程图如图4-7所示。硬件的调试主要就是为了验证各个器件是否正常的，首先是检验单片机和各个器件是否得电，将设备连接到电源，然后首先使用看的方法，观察是否亮，这里单片机是会亮的。检测的时候需要循序渐进的进行，首先要按照之前设计好的原理图，来对照所设计好的电路板，电路板当中的元器件参数需要和原理图保持一致，一般还需要结合使用万用表进行测量的方式来判断，器件是否正常。特别需要注意的是，电路当中不可以出现短路的现象，短路的后果是非常严重的，轻则烧毁电线，重则烧毁所有的元器件，此外还需要检测单片机是否在正常的工作，单片机的工作需要有晶振电路的支撑。因此该器件的好坏将直接决定着整个系统是否能够进行工作，最简单的测量办法就是测量该原件是否有电压，如果他的电压达到2.05伏左右，那么就说明系统应该是工作正常的，此外还需要确保复位电路能够正常的工作。复位电路是能够在系统出现故障的时候，使得系统的程序能够重新执行，一般在正常工作的时候，该电路所对应的端口是处于高电平的。同时检查电路的详细部分，以确保系统正确连接，并与单个芯片的微型计算机程序相匹配。如果所有的数据都可以在测试后正常传输到单个芯片上，而单个芯片可以正常引导OLED进行显示，那么系统就会正常工作，可以达到警报效果。软件是整个硬件调试项目，实际上是软件和硬件的组合。在测试过程中，需要对传感器进行一对一的测试，同时检查电路的详细部分，以确保系统正确连接，并与单个芯片的微型计算机程序相匹配。如果所有的数据都可以在测试后正常传输到单个芯片上，而单个芯片可以正常引导视觉屏幕，那么系统就会正常工作，测试系统电路的连接是正确的。电路启动试验检查及开机测试的原理图如图5-1所示。图5-1电路启动试验检查及开机测试经过了验证实物的各个传感器供电正常，单片机供电正常，显示屏供电正常，按钮可正常使用，并且能够正常的显示。当仿真部分和软件部分的设计模拟测试完成后，用Keil5软件编写的代码程序通过下载烧录到焊接在板子上到单片机芯片中，检验软件和硬件之间的实际连接是否正确，并保证该设计可以正常的上电运行，并对模块的各种功能进行检测。如果发现不协调的现象，及时修正程序代码。上面进行了开机测试是可以验证各个部分是正常，但是还不能验证传感器功能和设备的功能，因此需要实验软件进行调试。如图5-2软件调试界面。图5-2软件调试界面经过了软件的调试和验证，发现系统的功能能正常的工作，那么接下来就要对硬件的整个功能进行测试。(1)当用湿巾擦拭湿度传感器时，显示屏会显示数据。当数据超过阈值时蜂鸣器就会发出报警。(2)当用手触摸温度传感器时，过十秒钟显示屏会显示温度，并通过WIFI模块发送至云平台。当温度大于37.5度时，蜂鸣器报警。(3)用手按压血压传感器，五秒钟后，显示屏能够正常显示数据，当数据超过120时，蜂鸣器报警。(4)用手触摸心率传感器，显示屏数据发生变化，心率传感器正常运行，当数据超出阈值时，蜂鸣器报警。(5)通过可视化显示屏数据都能完全显示。(6)通过云平台账户查看数据，数据能够实时显示。(7)扫描云平台二维码，能够看到准确数据。整机测试完成，且效果十分理想，其整测试图如图5-3所示。图5-3整个机器测试图经过了整个设备的联合测试发现了传感器都是可以测量的，下一步将要对设置的功能和控制功能进行测试。本次设计是可以进行设置的，点击第一个按键是进行设置的按键，这个按键点击不同的次数可以实现温度、湿度、心率、压力阈值的设置，然后第二个按键设计阈值加，第三个按键设计阈值减，所有结束之后按下第一个按键，能够恢复到主界面的。接下来对控制功能进行测试，发现设备能够在超过系统阈值的时候对应的点亮指示灯，当温度大于设置值的时候温度高温指示灯亮，当灯光小于设置值的时候，补光灯点亮，当湿度小于设置值的时候湿度指示灯点亮。然后又进行了设置值的调节，发现其实能够进行设置和控制的，到此就可验证设备的功能是正常的，符合要求。如图5-4设置和控制功能的调试图。图5-4设置和控制功能的调试图5.5最终结果显示图当可视化显示屏显示数据后，会通过WIFI模块传送至云平台，家人可通过云平台随时掌握老人身体状况。也可通过扫描云平台分享的二维码对数据实现远程监控，实物最终通过调试可正常运行，其最终结果图如图5-5所示。图5-5最终结果显示图本文以STM32单片机为核心处理器，利用传感器技术对床褥的温湿度、人体心率血氧血压等数据进行采集，微处理器技术对采集到的数据进行处理，WIFI无线通讯技术实现数据传输。通过软硬件设计，最后成功建立了多功能老年护理床系统。本文至今所完成的工作主要有：论文所设计的系统主要用于老年护理床监测，通过前期查阅相关文献，对于脉搏监测技术的现状及发展有了新的认识。论文从经济效益、应用价值、开发难度等方面综合考虑，根据系统要求，给出了一种基于MCU的温度湿度以及其他测量系统的总体设计框架，并对系统各模块所用芯片进行了选型。论文对系统硬件部分做了详细说明，并给出了各模块的硬件设计原理图。硬件部分采用模块化设计方法，将系统分成各个子模块硬件部分，主要分为多个模块，除了由主控制芯片组成的最小MCU外，还包括血压监测模块、体温检测模块，心率检测模块，蜂鸣器报警电路，WIFI联网电路和显示屏电路。论文给出了系统软件设计部分的设计思路和实现方法。从上位机与下位机两个部分进行了详细阐述，上位机部分主要通过WIFI无线通信实现用户远程监测老年护理床数据；下位机部分则是对以STM32微处理器为核心的数据检测系统进行软件设计。软硬件设计完成后，对系统进行了相关测试，并模拟了床铺湿度和人体心率过高、过低以及正常的情况，以此测试系统是否达到预期功能。针对国内目前心率监测技术现状，本文提出并设计了一种适用于老年护理床的多功能监测系统。该系统可以实现床褥温湿度自动检测，而且工作人员能通过手机和电脑对老年人环境进行远程监测，大大提高了看护的安全性，市场应用前景广阔。虽然测试结果符合预期，但本系统依然存在不足，其性能方面还需从以下几方面加以改善：本文所设计的系统终端采集节点比较少，只适用于规模较小的场所，对于监测范围更大的系统，可能不太适用。因而，在后续工作中，我们可以考虑多点测量，增加采集节点，扩大其检测范围。本文采用了WIFI无线通信技术来实现远程监控功能，但对于床褥环境的控制，仍然需要用户操作，后期可对这方面进行完善，让系统根据温湿度状态值进行自动调节。此外，还可以引入蓝牙、GPRS技术，进一步完善远程通信功能。本次设计在校内进行，受实验环境限制，只对系统进行了模拟测试，未进行实地测试。在后期工作中，可以将系统放入实地考察，进而确认系统是否可靠，功能是否达到要求。

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