基于嵌入式系统的多功能自理床控制系统

赵 旭，赵立蕊，连翠玲

（1．河北省自动化研究所，河北石家庄 050081；2．河北工业职业技术学院信息工程与自动化系，河北石家庄 050091）



基于嵌入式系统的多功能自理床控制系统

赵 旭1，赵立蕊2，连翠玲1

（1．河北省自动化研究所，河北石家庄 050081；2．河北工业职业技术学院信息工程与自动化系，河北石家庄 050091）

摘 要：针对社会人口老龄化带来的护理需求，设计了基于嵌入式系统的多功能自理床控制系统，可实现床体体位变换、被护理人员自理和报警功能的自动控制，适合行走不便的残疾人和卧床病人使用，可在一定程度上安抚使用者的消极心理，并降低护理人员的工作强度。

关键词：自动控制技术；嵌入式；自理床；控制系统；WinCE；体位变换

E－mail：yonlone＠163．com

赵 旭，赵立蕊，连翠玲．基于嵌入式系统的多功能自理床控制系统［J］．河北工业科技，2016，33（2）：178－182．

ZHAO Xu，ZHAO Lirui，LIAN Cuiling．Multifunctional self－care bed control system based on embedded system［J］．Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2016，33（2）：178－182．

伴随着人口老龄化现象的加剧，因身体虚弱卧床不起或因疾患导致生活不能自理的老年人的家庭照料与看护成为国家所面临的共同问题。随着医疗水平的快速发展及使用者对医疗护理器械的需求的提升，近些年在市场上出现了一些自理床，其设计理念不同于传统医疗护理器械，而更多体现了人文关怀，不仅考虑到使用者的体力、感知能力、认识能力及动作灵巧性，而且更多地关注病患与家属的情感需求［1－3］。

笔者以嵌入式系统的触控一体机作为控制核心，设计多功能自理床控制系统。应用该系统的自理床可实现靠背升降、左右侧翻、腿部抬落、成椅子型等体位变化功能，并且支持智能便桶，能够让使用者实现大小便的基本自理。它还支持有线或无线上网，并且预留接口，能够在日后实现更多功能扩展，满足使用者基本的生活需求。此类自理床适合行走不便的残疾人和卧床病人使用，可在一定程度上安抚使用者的消极心理，而且能够降低护理人员的工作强度。

1 总体设计

多功能自理床控制系统的组成如图1所示。该系统包括主控核心、操作控制器、动作执行机构、传感系统、护理管理系统等部分［4－9］。主控核心由基于嵌入式系统的触控一体机及扩展I／O电路组成，其相当于整个系统的“大脑”，通过获得的数据来指挥执行机构动作。操作控制器分为护栏控制器和手柄控制器，这两种控制器均有功能按键，按下相应按键可实现与之对应的动作。动作执行机构主要由各活动关节的电动推杆及其控制器组成，其受控于主控核心。传感系统包括限位开关、温度传感器、液位开关、漏液传感器等，主控核心可通过传感器的信号来确定如何发布指令。护理管理系统主要面向护理人员，能够提供数据交互、记录、查询等功能，护理人员通过这些功能可实现对被护理人员的身体状态管理和信息管理。

图1　系统组成示意图Fig．1 Sketch map of system components

2 系统设计

2．1 主控核心的选择

本系统的主控核心用的是如图2所示的LJD－eWin－模组型触控一体机。其以32位高速ARM处理器作为主CPU，操作系统为Windows CE6．0。该机具有256 MB的RAM，128 MB的电子硬盘，可扩展SD卡存储器，屏幕采用800×600的触摸屏，同时具备了RS232／485串口、USB接口，并可扩展蓝牙通信模块，来满足应用需求。

触控一体机编有控制／管理软件，通过触摸屏上的虚拟按键可实现床体控制、信息管理等如下功能。

1）床体动作控制 通过按下屏幕上的对应按键实现自理床各种形态变换的控制。

2）管理功能 床位信息管理，可由护理人员输入床位编号、所在位置等；被护理人员信息管理，包括姓名、年龄、性别、所患疾病等，同样由护理人员输入；医嘱管理，可将医嘱信息输入至触控一体机。

图2　LJD－eWin－模组型触控一体机Fig．2 LJD－eWin－module type touch all－in－one machine

3）数据查询 可对历史数据进行查询，以便于更好地对使用者进行护理。

另外，为节能环保，当触摸屏2min内没有进行操作时，屏幕自动黑屏。

2．2 操作控制器的设计

本系统的操作控制器共有2种，分别为手柄控制器和护栏控制器，两者的按键功能基本相同，只是使用对象不同，前者供被护理人员使用，后者则由护理人员操作使用。手柄控制器和护栏控制器都是基于51系列单片机进行设计［10－12］。两者的区别是手柄控制器采用蓝牙通信模块HC－05，护栏控制器通过ModBus协议与主控核心进行通信。

手柄控制器设计图如图3所示，可供使用者实现卧床时的姿势变换及大小便自理。控制器上共有13个主要按键，其中“上升”和“下降”按键控制自理床靠背的上升、下降；“左翻”和“右翻”键可帮助使用者实现左右翻身；“椅出”按键可使自理床变形成椅子；“桶进”按键可使便桶自动到位供被护理者使用，完毕后按下“桶出”键使便桶回位；便后可按下“冲水”或者“风干”按键进行冲水及风干，并可按下“水调温”或“风调温”按键调节便后冲洗的水温和风温；当使用者感到不适时，可按下“呼叫”按键通知相应人员；“急停”按键可使所有动作停止，返回到初始状态。这些按键具有一定的关联性，比如只有在平床状态才可左右翻身，在“桶进”的状态下才能冲水和风干等。

图3　手柄控制器设计图Fig．3 Handle controller design

手柄控制器的原理示意图如图4所示。其采用51系列单片机进行设计，P1口除P1．0用作急停按键直接接入外，P1．1—P1．7以行列键盘的形式定义其余的12个按键。6个功能指示灯用P2．0—P2．5控制，串口通信接口TXD和RXD通过MAX232接到蓝牙通信模块HC05上，实现与主控核心的无线通信。

图4　手柄控制器原理示意图Fig．4 Handle controller schematic

2．3 系统控制

本系统共计有DI量20～26点，包括备用DI量4～8点，用于动作限位、启停信号、报警信号等；DO 量23～31点，包括备用DO量4～8点，用于动作执行电机控制、泵／阀控制、输出报警信号等。DI／DO信号统计示意图如图5所示。

图5　DI／DO信号统计示意图Fig．5 DI／DO signal statistics

2．3．1 体位变换功能的控制

该控制系统可按需求实现靠背抬起、落下，腿部弯曲、伸直，左右侧翻，左右护栏起、落及将整床变形成椅子状等体位变换。体位变换功能由6个直线电机带动相应执行机械结构完成，分别对应靠背、足部、左护栏、右护栏、床面左翻、床面右翻等动作需求。直线电机采用医用直线推杆，根据床体结构的受力大小选择不同规格，由继电器控制伸出或收回。床体各活动部位均有限位开关，可保证床体结构的合理运行。

2．3．2 自理功能的实现控制

本自理床控制系统的突出特点之一便是尽可能地让使用者实现基本自理，而最主要的就是自理大小便。本系统的便桶设计参考智能马桶盖，具有3档水温、风温控制，可实现便后温水冲洗及热风风干功能。便桶装有生物降解剂，可人为按键实现降解及灭菌，保持自理床的清洁。

当使用者想要大小便时可按下“桶进”按键，便桶自动到位供其使用，便后可按下“冲水”按键，此时自理床的水泵自动抽取水箱内的存水加热后冲洗身体，冲洗过程中可根据自身的舒适程度进行高、中、低3档水温调节，冲洗最大时长为15s，到时自动停止，使用者也可随时按键停止；如需使皮肤快速干燥，可按下“风干”按键吹出热风，风温也可调节，吹风到时自动停止或按键停止。使用者便后可随时按下“桶出”键，便桶自动返回原位。本控制系统可接漏液传感器，当有尿湿、洒水等情况发生时，可报警通知相关人员处理。

2．3．3 报警功能的实现控制

使用本系统的自理床虽能让使用者实现基本自理，但由于使用者的特殊身体状况，这个“自理”并不是绝对意义上的自己照顾自己，而是仍需要护理人员参与护理，以免发生意外。出现特殊情况时，使用者可主动呼叫护理人员，自理床控制系统也可发出报警信号通知护理人员前来紧急处理。

1）使用者按下“呼叫”按键 按键后，系统便会通知护理人员前来护理，该情况是使用者主动呼叫护理人员。

2）漏液报警（尿湿报警） 当自理床出现尿湿或洒水等情况，控制系统的漏液传感器会及时发现这一情况并报警。

3）缺水报警 由于自理床系统的供水来自床体安装的水箱，如水箱缺水则影响使用者便后的冲洗，这时，水箱的液位传感器便发出报警信号通知护理人员前来加水。

4）离床报警 为避免使用者发生意外，床体四周装有红外传感器，当使用者主动或被动离床后可发出报警信号通知护理人员参与处理。

3 系统软件设计

本系统的软件分为下位机控制软件和触控一体机护理管理软件。下位机控制软件由KeilC编制，由按键查询响应、I／O控制、数据通信等部分组成。本系统的触控一体机为嵌入式系统，其处理器是ARM9的S3C2416，操作系统是Windows CE6．0，因此在编程上，采用微软公司的Visual Studio系列较为合适。本系统的护理管理软件正是用其集成的VB．net进行编制，而其详细开发、部署过程在此不加赘述。触控一体机护理管理软件系统界面如图6所示［13－18］。

图6　触控一体机护理管理软件系统界面Fig．6 Touch all－in－one machine care management system software interface

4 结 论

目前嵌入式系统以其可靠的性能、较低的价格、精简的系统、强大的功能等优点得到了越来越广泛的应用。本设计将嵌入式系统应用于自理床上，在完善功能的同时还可降低护理人员的劳动强度。在当今中国人口老龄化现象日趋严重的背景下，该系统有着广阔的应用前景。

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Multifunctional self－care bed control system based on embedded system

ZHAO Xu1，ZHAO Lirui2，LIAN Cuiling1
（1．Hebei Institute of Automation，Shijiazhuang，Hebei 050081，China；2．Department of Information Engineering and Automation，Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050091，China）

Abstract：Aiming at the increased requirement for medical apparatus and instruments in China and the increasing needs for nurse caused by social aging of population，a multifunctional self－care bed control system based on embedded systems is designed．It can realize bed posture conversion，patients＇self－care，and automatically controlled alarm function，suiting for the disabled who are inconvenient to walk and the bedridden patients，and it can in some degree pacify the patients while decrease the work intensity of the nurses．

Keywords：automatic control technology；embedded；self－care bed；control system；WinCE；position change

作者简介：赵 旭（1975—），男，河北石家庄人，高级工程师，主要从事自动控制应用方面的研究。

收稿日期：2015－12－13；修回日期：2016－01－18；责任编辑：张 军

文章编号：1008－1534（2016）02－0178－05

中图分类号：TP306

文献标志码：A

doi：10．7535／hbgykj．2016yx02014