基于物联网的居家养老电动智能床及健康监控系统的研制

摘要：根据我国居家养老现象越来越普遍的实际，采用自动控制技术、电子信息技术和物联网技术，研发了集休闲、按摩和健康监控于一体的电动智能床，让老人提高睡眠质量、掌握健康状况、得到及时的医疗服务，免去繁琐的传统就诊程序。

关键词：物联网 智能床 健康参数 监控

1 概述

《2010年第六次全国人口普查主要数据公报》显示：

“2010年11月1日我国大陆31个省、自治区、直辖市和现役军人的人口的总量为13.4亿人，60岁及以上人口占 13.26%，比2000年人口普查上升2.93个百分点，其中65 岁及以上人口占8.87%，比2000年人口普查上升1.91个百分点”[1]。在现有的老年人口中，空巢家庭占老年家庭总数约为25.8%，在全国城市中老年空巢家庭的比例已达 49.7%[2]。

“基于物联网的居家养老电动智能床及健康监控系统的研制”旨在“让老人在床上获到合适的保健按摩，提高睡眠质量；让老人在床上得到实时动态的健康指标监测，掌握健康状况；让老人在床上得到及时的医疗服务，免去繁琐的传统就诊程序”。

2 居家养老电动智能床的研制

2.1 功能设计

2.1.1 按摩功能设计思路。在床的头部和尾部设置按摩电机，实时控制电机转速和振动频率，按摩强度设置3个档位，实现头部和脚部按摩功能。

2.1.2 休闲功能设计思路。将床板设计成头部和脚部高度随意可调的结构，并采用记忆海绵作为床垫，满足用户在床上得到最大休闲需求：①将头部抬高到最高状态，脚部适当抬高，使用户在看电视和使用电脑时的身体受力最小。②将头部、脚部适当抬高，头部高度略高于脚部，使用户在看书读报时的身体受力最小。③将头部适当抬高，脚部抬高到最高状态，使用户心脏供血负荷达到最佳，从而最大限度的得到休息解乏。

2.2 结构设计 电动智能床包括前床板、中船板和后床板，其特征在于，前床板的后端与后床板的前端分别与中床板相互铰接，前床板下部固定有若干用于支撑前床板的前床脚，后床板下部固定有若干用于支撑后床板的后床脚，前床板前端和后床板后端的下部处设有能带动前床板沿着铰接点来回摆动的摆动机构实物如图1和图2。

前床板的后端与后床板的前端相互铰接，使得前床板能够相对后床板折叠，前床板的前端能够向上抬起，使用者不需要施力即能够坐靠在该电动床上，方便进餐、娱乐以及变换姿势等；后床板能够实现不同角度的弯曲，使脚的高度自由变化，摆动机构为折叠抬高以及放平提供动力，实现该电动床的自动化、智能化，使用更加方便。

2.2.1 电动推杆。设计了一种新型的电动执行机构——电动推杆，如图3。主要由电机、推杆和控制装置等机构组成，可以实现远距离控制、集中控制。电动推杆在一定范围行程内作往返运动，把电机的旋转运动转化为直线往复运动。推动一组连杆机构来完成升降，往返，反转等工作。采用开环控制系统，可实现自动往复不停的推拉运动，且结构紧凑、安全可靠。

电动推杆相对于液压缸和气缸有着独到的优点：电动推杆不需要复杂的成套系统支持（包括泵，管道，阀门，过滤器，很多接头等）；可以节约很多的空间，而且在无维护的情况下，安全可靠的工作；没有油污的污染，大幅度降低噪音，保持洁净/安静的工作环境；整体质量轻，体积小，安装运输方便；运行精度高，而且可以实现远距离控制、集中控制或程序自动控制。

2.2.2 自动升降机构。自动升降式电动床，包括装有床脚的床架，在床架上装有一组升降床板装置，该升降床板装置包括：在横梁上装有一升降限位支架，其纵梁架间固定电机驱动轴，在电机驱动轴上焊有摇臂和活动连接块，背板由固定轴与床架连接并能以固定轴为圆心做升降运动，背板上焊有槽形板，摇臂端头上的滑轮置于背板的槽形板槽形轨道内，电机安装在床架的电机支架上，并通过丝杠螺母套筒与驱动轴上的活动连接块相连。

2.3 控制系统 电动智能床的控制系统框图如图4所示，遥控器和控制器的指令传给电机控制MCU，再由电机控制MCU通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压可以实现调速以及振动按摩的强度设置，从而实现有线控制和无线控制兼容的功能。

2.3.1 直流电机转速控制系统。直流电机转速控制系统采用基于PWM控制的H桥驱动电路。

脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。H桥是直流电机驱动的典型电路，设计图如图5所示。

2.3.2 遥控器和控制器无线有线兼容通讯系统。选择基于接收信号强度（RSSI）的带信标定位技术。采用TI（原Chipon）推出的一款低功耗2.4GHz全球免许可费用频段的射频芯片CC2500。其特点是体积小，操作简单，采用4线制SPI，与MCU通信，并能够在每次接收到信号后自动产生RSSI，方便上层完成定位。CC2500 RF由发射模块和市场上低功耗的单片机PIC系列组成；按键采用模拟金手指工艺实现按键遥控，CC2500是一种低成本单片的2.4GHz收发器，为低功耗无线应用设计，电路采用2400-2483.5MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段；并结合MicroChip单片机的优点，运行速度快，低工作电压，低功耗，较大的输入输出直接驱动能力，价格低，一次性编程，小体积；应用于目前遥控设备，该系统可工作于1.8V-5.5V的电压下使用，普通两到三节干电池的供电系统下，待机仅仅为0.02UA，极低的待机功耗，有便于长时间的遥控器使用；有线部分采用MicroChip单片机自身IC的优势，使用UART通讯模式，与下位机通讯。

2.4 床垫 床垫采用高端的记忆海绵，由慢回弹的聚氨酯海绵组成，具有压力感应及温度感应记忆功能，能够根据使用者的体形、体重和体温做出反应。减少人体颈部、脊部和臀部所承受的重力压力的87%。由于能够吸收压力，记忆海绵可以明显减少睡眠过程中80%的翻身次数，这将会很好的提高睡眠质量。endprint

3 基于物联网的健康监控系统的研制

3.1 功能设计思路 采用物联网技术自动采集、分析实时监控监护对象的心电、血压、脉搏、体温等健康参数，实现异常情况报警，并与亲属手机和120急救中心实现实时信息互通。用户需要紧急救助时，可按下紧急呼救按钮，该系统将通过电话拨号自动向120、社区监护站、医院等发送呼救信息。

3.2 结构设计 基于物联网的健康监控系统由个人电脑、综合网关和无线/有线人体健康参数传感器节点构成，系统功能框图如图6所示：

■

图6 基于物联网的健康监控系统

图示说明：

■zigbee无线网络传输路径

■ 蓝牙传输路径

■GSM无线网络传输路径

■串口通信路径

血压传感器节点、体温传感器节点、无线报警器节点通过Zigbee组网连接，自动发送血压、体温、报警信息到网关，网关再将传感器信息通过串口发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

心电图通过蓝牙将心电、脉搏信息发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

GSM模块实现当检测到异常监护信息时发送报警内容到120或指定电话号码。

4 结语

①电动智能床各项性能指标：保护等级Ⅱ级，防护等级IP54、主接线电源24VDC开关电源（100VAC-264VAC 47HZ-63Z）、最大输出功率≤160W、待机消耗≤0.3W、效率≥88%、最大负载床头100kg床尾100kg、行程：床头330mm床尾81mm、床体内装热隔断保险丝防止过载、电动升降架能使人体的背部和脚部作上下60°的调节。

②电动智能床符合UL1310（美国国家安全标准）、FCC（美国电磁兼容标准）、CE（欧盟电磁兼容和低压指令标准）、CEC（美国加州能耗标准）、65指令（加州环保标准）、PSE日本（菱形）标志。

③健康监控系统能够实现设计参数的采集和传输，与医疗机构的互联互通限于部分城市的120报警还未开通短信报警，此项技术还有待于进一步交流沟通解决。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.2010年第六次全国人口普查主要数据公报（第1号）.

[2]谢存禧.基于人口老龄化的智能化健康护理、监控装备的研发[J].机电工程技术，2010，39（11）.

[3]齐伟，鲁守银，高焕兵.基于家庭主站的远程医疗监护系统[J].电子设计工程，2009，17（11）.

[4]韩迎辉.电动按摩床的单片机控制系统[J].河南科技，2010（8）.

基金项目：嘉兴市科技局科技计划项目：基于物联网的居家养老电动智能床及健康监控系统的研制（2012AY1035）。

作者简介：

戈秀龙（1968-），男，浙江嘉善人，研究方向：动力机械自动控制及信息化。endprint

3 基于物联网的健康监控系统的研制

3.1 功能设计思路 采用物联网技术自动采集、分析实时监控监护对象的心电、血压、脉搏、体温等健康参数，实现异常情况报警，并与亲属手机和120急救中心实现实时信息互通。用户需要紧急救助时，可按下紧急呼救按钮，该系统将通过电话拨号自动向120、社区监护站、医院等发送呼救信息。

3.2 结构设计 基于物联网的健康监控系统由个人电脑、综合网关和无线/有线人体健康参数传感器节点构成，系统功能框图如图6所示：

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图6 基于物联网的健康监控系统

图示说明：

■zigbee无线网络传输路径

■ 蓝牙传输路径

■GSM无线网络传输路径

■串口通信路径

血压传感器节点、体温传感器节点、无线报警器节点通过Zigbee组网连接，自动发送血压、体温、报警信息到网关，网关再将传感器信息通过串口发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

心电图通过蓝牙将心电、脉搏信息发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

GSM模块实现当检测到异常监护信息时发送报警内容到120或指定电话号码。

4 结语

①电动智能床各项性能指标：保护等级Ⅱ级，防护等级IP54、主接线电源24VDC开关电源（100VAC-264VAC 47HZ-63Z）、最大输出功率≤160W、待机消耗≤0.3W、效率≥88%、最大负载床头100kg床尾100kg、行程：床头330mm床尾81mm、床体内装热隔断保险丝防止过载、电动升降架能使人体的背部和脚部作上下60°的调节。

②电动智能床符合UL1310（美国国家安全标准）、FCC（美国电磁兼容标准）、CE（欧盟电磁兼容和低压指令标准）、CEC（美国加州能耗标准）、65指令（加州环保标准）、PSE日本（菱形）标志。

③健康监控系统能够实现设计参数的采集和传输，与医疗机构的互联互通限于部分城市的120报警还未开通短信报警，此项技术还有待于进一步交流沟通解决。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.2010年第六次全国人口普查主要数据公报（第1号）.

[2]谢存禧.基于人口老龄化的智能化健康护理、监控装备的研发[J].机电工程技术，2010，39（11）.

[3]齐伟，鲁守银，高焕兵.基于家庭主站的远程医疗监护系统[J].电子设计工程，2009，17（11）.

[4]韩迎辉.电动按摩床的单片机控制系统[J].河南科技，2010（8）.

基金项目：嘉兴市科技局科技计划项目：基于物联网的居家养老电动智能床及健康监控系统的研制（2012AY1035）。

作者简介：

戈秀龙（1968-），男，浙江嘉善人，研究方向：动力机械自动控制及信息化。endprint

3 基于物联网的健康监控系统的研制

3.1 功能设计思路 采用物联网技术自动采集、分析实时监控监护对象的心电、血压、脉搏、体温等健康参数，实现异常情况报警，并与亲属手机和120急救中心实现实时信息互通。用户需要紧急救助时，可按下紧急呼救按钮，该系统将通过电话拨号自动向120、社区监护站、医院等发送呼救信息。

3.2 结构设计 基于物联网的健康监控系统由个人电脑、综合网关和无线/有线人体健康参数传感器节点构成，系统功能框图如图6所示：

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图6 基于物联网的健康监控系统

图示说明：

■zigbee无线网络传输路径

■ 蓝牙传输路径

■GSM无线网络传输路径

■串口通信路径

血压传感器节点、体温传感器节点、无线报警器节点通过Zigbee组网连接，自动发送血压、体温、报警信息到网关，网关再将传感器信息通过串口发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

心电图通过蓝牙将心电、脉搏信息发送到电脑上，并在上位机软件上显示。

GSM模块实现当检测到异常监护信息时发送报警内容到120或指定电话号码。

4 结语

①电动智能床各项性能指标：保护等级Ⅱ级，防护等级IP54、主接线电源24VDC开关电源（100VAC-264VAC 47HZ-63Z）、最大输出功率≤160W、待机消耗≤0.3W、效率≥88%、最大负载床头100kg床尾100kg、行程：床头330mm床尾81mm、床体内装热隔断保险丝防止过载、电动升降架能使人体的背部和脚部作上下60°的调节。

②电动智能床符合UL1310（美国国家安全标准）、FCC（美国电磁兼容标准）、CE（欧盟电磁兼容和低压指令标准）、CEC（美国加州能耗标准）、65指令（加州环保标准）、PSE日本（菱形）标志。

③健康监控系统能够实现设计参数的采集和传输，与医疗机构的互联互通限于部分城市的120报警还未开通短信报警，此项技术还有待于进一步交流沟通解决。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.2010年第六次全国人口普查主要数据公报（第1号）.

[2]谢存禧.基于人口老龄化的智能化健康护理、监控装备的研发[J].机电工程技术，2010，39（11）.

[3]齐伟，鲁守银，高焕兵.基于家庭主站的远程医疗监护系统[J].电子设计工程，2009，17（11）.

[4]韩迎辉.电动按摩床的单片机控制系统[J].河南科技，2010（8）.

基金项目：嘉兴市科技局科技计划项目：基于物联网的居家养老电动智能床及健康监控系统的研制（2012AY1035）。

作者简介：

戈秀龙（1968-），男，浙江嘉善人，研究方向：动力机械自动控制及信息化。endprint