基于移动端控制的多功能护理床系统设计

戴金祥，林 涛，史新宝，黄时哲，林大略，董 磊，陈耀文*

（1.汕头大学工学院，广东汕头 515063；2.汕头市互感器厂有限公司，广东汕头 515021；3.深圳大学医学院，广东深圳 518060）

0 引言

当前，家庭养老为我国主要的养老方式。居家养老的重点在于护理，大量老年患者因子女繁忙无法得到应有的照顾和护理，经常会出现症状加剧甚至离世的情况，而老年失能患者的护理问题尤其突出[1]。护理床是一种为了照顾残障者及老年失能患者而设计的护理产品，它可以辅助患者完成翻身、抬背、屈伸腿等活动并防止褥疮，对于存在慢性病患者的家庭是非常必要的，具有广阔的市场需求。目前，国内市场上的护理床缺少智能控制技术和人机交互功能，且功能较为单一[2]。

随着计算机技术和通信技术的发展，远程医疗逐渐成为一种新的医疗服务模式，成为研究机构及高校的研究热点[3]。本文设计了一种基于移动端控制的多功能护理床系统，可实现心电、血氧饱和度、无创血压以及体温等参数监护，利用互联网进行数据的接收和发送，结合Android手机实现远程生理信号监测，并通过手机端的App对护理床进行远程操控，包括按键控制、语音控制等。同时，移动终端可以记录患者历史数据供家属及医护人员多点查询。本系统允许多用户连接，易于推广，且能长期稳定地运行，为需要长期监护的老年失能患者提供了一种新的医疗护理方式，对于构建和谐的老龄化社会具有一定的现实意义[4]。

1 系统设计

多功能护理床系统由多功能护理床、生理参数检测模块、远程控制模块和移动终端App组成，为患者及家属提供了较为完善的护理，系统组成框架如图1所示。系统工作原理：在患者成功佩戴生理信号检测模块后，患者的生理数据便可以通过蓝牙传输实时显示在移动终端App上。同时，患者的生理参数会通过网络传送到后台系统供家属或医护人员远程查询。此外，本系统结合机智云平台来实现远程控制护理床的运动状态并获取护理床状态信息，患者家属或医护人员在线观察患者生理体征变化，并且能实时帮助患者实现翻身、抬背等功能，从而达到缓解病情甚至达到治愈的效果，实现对患者全方位的医疗照顾。

图1 多功能护理床系统组成框图

本系统是以社区与家庭医疗为重心的个体化护理集成系统，其中生理参数检测模块及远程控制模块等硬件功能模块与护理床集成化设计；软件部分采用基于客户端/服务器（Client/Server，C/S）的网络架构，即用户下载安装相应的App程序就可以进行远程监护。

1.1 系统硬件设计

1.1.1 生理参数检测模块

生理参数检测模块由模拟和数字两部分组成：模拟部分设计前置处理电路，其功能为通过获取传感器的原始数据进行滤波和放大处理，再将输出电平注入到信号处理电路的采集通道。数字部分中单片机采用意法半导体公司产品STM32F429作为信号处理电路的主控单元，并设计电源电路、通信电路等外围电路模块。其中电源电路的主要作用是将220 V交流电源通过降压、稳压电路输出12 V给模拟部分电路使用以及3.3 V为STM32F429主控板供电，通信电路主要负责将生理信号传输至移动终端显示并保存[5]。生理参数检测模块系统框图如图2所示。

1.1.2 远程控制模块

图2 生理参数检测模块系统框图

传统的医疗护理床多数为手摇式护理床或者功能简易的电动护理床，一般仅包含床体的升降功能，对于患者翻身等要求需依靠家属或护理人员外力来进行，这对长期慢性病患者的家庭来说无疑是个亟待解决的问题[6]。鉴于上述问题，本文基于机智云平台设计了远程控制模块[7]。

远程控制模块硬件框图如图3所示，由STM32-F429单片机和PIC16F877A单片机以及继电器模块和相关接口组合通信实现。PIC16F877A是Microchip推出的一款8 bit单片机，其采用14 bit的RSIC指令系统，芯片内部集成了上电复位、欠压检测和Watchdog等电路，可作为护理床电动机驱动的微控制器。STM32F429单片机搭载安信可无线Wi-Fi模块接入机智云平台，负责护理床动作数据点的收发功能，单片机之间采用主从式网络拓扑结构通过RS232串口进行多机通信。无线Wi-Fi模块为ATK-ESP8266，采用串口与微控制单元（microcontroller unit，MCU）通信，内置传输控制协议/因特网互联协议（transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP）协议栈，能实现串口与Wi-Fi之间的转换，数据点通过该模块传输到机智云服务器。

图3 远程控制模块设计框图

1.2 系统软件设计

1.2.1 生理参数检测模块单片机程序设计

该模块程序在Keil5环境下开发，以STM32F429为数据采集和滤波电路的主控芯片。多通道模拟信号转换需要ADC、定时器、DMA通道协同工作，本设计选择TIM1作为采样频率发生的定时器，通过设置分频系数得到1 μs的时钟节拍，最终通过定时器计数得到1 kHz频率并设置为脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）输出。ADC采样通道为4个，分别对应4个模拟通道的引脚输入，其中模拟信号的采样使用ADC1。STM32F4系列的DMA控制器与F3系列最大的不同点在于其直接支持双缓冲区的切换，在一个数据区满后自动切换到另一个数据区，适合信号实时处理。本设计将DMA配置为双缓冲，需要有2个内存空间，分别为buf0和buf1，每个区的长度标为Size。DMA的原地址为ADC的转换结果寄存器地址，内存地址不自增；目标地址为buf0，内存地址自增。DMA配置关键代码如下：

1.2.2 生理信号数据解打包协议

由于本设计中的生理参数检测模块是将血压采集电路、血氧采集电路、心电采集电路以及体温采集电路集成化设计，因此为避免Android端接收数据出现冗乱，数据必须经过打包后上传，并在手机端进行解包后再处理显示。其过程遵循的是一种PCT通信协议，通信协议的数据包格式如图4所示。

图4 PCT通信协议数据包格式

数据包由1 B的模块ID+1 B数据头+1 B二级ID+6 B数据+1 B校验和构成，共10 B。其中模块ID中心电信号定义为0x10，体温信号定义为0x12，血氧信号定义为0x13，血压信号定义为0x14。数据信息在数据1～6位中，校验和则是模块ID+数据头+二级ID+数据位之和。生理参数各模块ID定义见表1。

1.2.3 远程控制模块程序设计

表1 生理参数各模块ID定义

远程控制模块软件设计采用C语言进行编程，控制程序由主程序、按键控制子程序以及护理床状态上传子程序等组成。其程序设计流程如图5所示。首先对STM32F429单片机上各个外设初始化，然后完成机智云通信协议的初始化，判断Wi-Fi是否连接机智云服务器，若处于连接状态，当用户在手机端按下动作按键或者发出动作语音口令时，STM32F429单片机配置的ESP8266 Wi-Fi模块会接收到相应的数据，并在MCU内部进行动作判断。在正确识别动作的同时会通过RS232串口向PIC16F877A单片机以9 600 bit/s的波特率发送对应的动作指令数据，此时PIC16F877A单片机通过RS232串口接收不同的数据，驱动指定继电器的状态反转实现推杆电动机的开关，从而控制护理床动作的自由切换，同时护理床状态数据也会实时上传。由于本设计硬件通信采用机智云平台方案，故不仅可在局域网内控制，还可远程对护理床完成屈腿、抬背、左右翻转等姿态变化。

1.2.4 Android端设计

Android端的作用相当于一个网关，首先通过蓝牙发送请求数据的命令至STM32F429核心板并接收数据，且在界面显示生理参数数据并绘制图形；同时通过互联网在后台将数据传输至阿里云服务器Android端采用Eclipse开发环境，其主要分为床体控制、实时监测、数据查询、个人中心等界面，其设计流程如图6所示[8]。

图5 远程控制模块软件设计流程图

Android端主要界面如图7所示。在实时数据界面中，用户不但可以直观地查看患者的各项生理数据，也可远程协助患者进行血压测量，且这些生理参数过高或者过低都会进行短信报警，提醒用户关注当前数据。在历史数据界面中用户可以选择自己或他人的过往数据进行查询，也可根据日期详细查询历史信息。

图6 Android端界面设计流程图

图7 Android端主要界面

2 结果

对于高龄失能患者的日常护理，家属及医护人员不仅要密切监控患者的生命体征变化，还要帮助他们调整体位以防止长期卧床带来的褥疮。目前用于家庭及社区医院的护理床多为传统手摇式结构，而一些电动护理床虽然能通过遥控器调节患者在床上的体位，但是对于那些老年失能患者或重度瘫痪者则需要通过其他方式来控制护理床。

而本系统可实现对患者多项生理参数的长期监控和存储，患者家属打开手机App即可查询患者生命体征变化；也可以使用手机按键和语音口令远程控制护理床的动作，同时获取护理床的实时状态，而且移动终端能以电子病历的形式记录患者过往的生理参数并进行异常报警等。这对老年失能患者的家属和护理人员提供了很大帮助，即使患者子女在外地工作也可随时打开手机查看患者体征数据，获取患者健康状况，并远程帮助患者调整体位，避免长期卧床引起的慢性病的产生。本系统的优点如下：

（1）与现有的一些生理信号采集设备相比，本系统将多参数生理信号的采集电路集成在体积较小的电路板中，同时使用新型、主频高的单片机（STM32-F429），可在芯片上实现数据滤波和多通道采集。为了验证本系统生理参数测量值的准确度，共选取20位志愿者并对其分别编号后采用本系统生理参数检测模块进行生理参数测试。志愿者均来自汕头大学医学院附属第一医院，其中男性12人、女性8人，在获得他们知情同意的情况下进行了参数测量和记录。后续使用汕头大学医学院第一附属医院的监护仪进行测试，最终再对测量结果进行比较和分析。参数测量误差定义为本设计的测量值m与汕头大学附属第一医院监护仪的实测值n之差，即

本文中测试准确率定义为参数测量误差在5%以内的志愿者个数（N）与总志愿者人数（S）的比值，即

根据原始数据得到测量参数误差的平均值、标准误差以及测试准确率来评估本系统的生理参数检测模块的准确性，详见表2。可以看出，各生理参数的测试准确率基本在90%以上，其中体温的测量准确率高达96.6%，基本满足监护设备的临床使用要求。

表2 不同生理参数的测量误差和测试准确率

（2）本系统利用物联网技术，采用机智云接入方案，解决了传统电动护理设备只能在局域网中控制的局限性，实现了在线远程控制。通过调用第三方语音识别平台接口可完成对护理床的语音口令控制，可大大减轻家属及护理人员的劳动强度，有效解决了工作忙碌的子女对老年患者的护理问题。图8为用户在外省使用移动端协助患者右翻动作的真实画面和手机移动端反馈状态图。

（3）移动端的接入灵活，且可长期稳定地运行，可随机选择与哪个护理床配对，扩展性好。

图8 移动端协助患者右翻的真实画面和App状态图

3 结语

根据老龄化社会对医疗护理资源的需求，依托新型居家养老方式是未来的发展趋势。本文设计并实现了基于移动端控制的多功能护理床系统，实验结果表明，本设计很好地完成了预期的功能要求，但是也尚存在一些不足之处，比如若采用无接触方式检测患者生理参数，可有效减小患者的心理压力。本设计的创新性在于为老年失能患者建立了一个以个体化护理为特征的家居/社区医疗健康数字化护理集成系统，提高了护理人员对患者健康状况的正确鉴别水平以及康复服务水平，可明显改善患者的健康状况和提高生活质量。同时，本项目利用互联网+与智能护理设备结合可实现医疗卫生“重心下移”，对未来相关的产业发展具有一定的示范作用，有利于推动“健康中国”的落实。