智能养老床设计

王 康，王奥宇，司一鸣

（1.蚌埠医学院 公共基础学院，安徽 蚌埠 233030；2.蚌埠医学院 公共卫生学院，安徽 蚌埠 233030）

0 引 言

第七次全国人口普查数据显示，我国65 岁及以上人口达到26 401.9 万人，占全国总人口的17.95%。老年人口数量明显增加，国民人均寿命不断延长，未富先老、空巢化、少子化等养老问题逐渐凸显。在与养老相关服务需求旺盛的大背景下，传统养老模式已经难以满足人们的养老需求，开发研究养老产品是当前的热点。2021 年11 月，上海和广州分别发布了“智慧养老应用场景需求清单（2021 年版）”，聚焦5 类10 个典型场景需求，智能养老床位列其中。“床”在人们的生活中扮演着重要角色，但人们日常使用的床有着无法移动，功能单一的缺点，对于长期卧床的老人来说，增加了生活困难，也给家人的日常照料带来压力。智能床的出现，必然能够为卧床老人的生活带来曙光。

床是家中用来休息的家具，而对于老人尤其是失能/半失能老人而言，除了休息之外，还要在床上完成日常生活起居的多个环节，他们迫切需要一张功能齐全、操作方便的智能床，使体位调整、两便、翻身、呼叫帮助、日常健康监测等基本生活需求得以自主完成，从而提高他们的生活质量，减轻家人的负担。在国家政策的引导和推动下，养老领域的产品研发成果十分丰富，智能床的研发也取得了一定进展。调查发现，一些厂家新近推出的智能床更多聚焦于生活领域，在智能化方面存在欠缺。如浙江某科技股份有限公司研制的养老床[1-2]，虽然增加了生命体征采集和人体重量数据采集与上传功能，但仍无法实现自主控制、健康管理和智能分析等，缺少老人体征监测和预警等功能，并没有真正实现“智慧”。

本文研发的智能养老床与物联网结合，能够实现紧急报警、自主调节床体、LCD 显示、语音识别控制和红外遥控控制等功能，并实时获取老人的心率、体温、血压等基本生命体征数据，通过蓝牙及时传输给家属或护士，后续可通过这些数据分析老人当前状况并建立长期个人健康档案。此举既增加了床体功能的多样性，也实现了养老床的智能化、信息化。让养老床更好地为失能/半失能老年群体服务，更多给予此社会群体关爱。

1 系统总体结构

为便于功能扩展，系统采用模块化设计，由主控模块、红外遥控模块、语音识别控制模块、蓝牙模块、警报模块、数据采集模块、电机驱动模块和LCD 显示模块等八个独立的模块组成。STC89C52 单片机作为主控芯片，实现对整个系统的控制和管理。利用传感器监测电路采集外界环境的温湿度和心率血压等信息，并通过LCD 液晶屏显示；语音识别控制模块、红外遥控模块和蓝牙模块提供了三种不同的控制方式，丰富了系统的控制功能。电机驱动模块根据单片机的指令控制步进电机正反转，以模拟床体背部的升降。硬件结构如图1 所示。

图1 总体硬件结构

智能养老床机械设计的主要目标是利用养老床的姿态变换，如坐起、翻身和便盆调整等功能，帮助老人实现日常生活的部分自理。同时，结合家庭或养老院不同场所的需求，设计出模块可拆卸、具有折叠功能、可伸缩、包含信息传递、输液和病理维护的配套装置[3]。在边角处采用磨圆处理，避免采用菱形、三角形等尖锐的外形，给老人在使用过程中以很好的情感慰藉，缓解负面情绪，有利于老人的身心健康。床体结构如图2 所示。

图2 智能养老床的床体结构

2 系统硬件设计

2.1 红外遥控模块

本系统选择433 MHz 频段无线收发模块作为红外遥控控制模块，其采用声表谐振器SAW 稳频，频率稳定度极高，具有穿透性强、纵向分辨率高、适用范围广、方向性强和易于实现以及成本低等优点。红外线的波长远小于无线电的波长，红外遥控抗干扰能力强，不会对其他电器造成干扰，也不会影响临近的无线电设备正常工作，且其工作电压低、功耗小、电路简单[4-6]，所以适用于大多数家电。遥控器上有4 个按键，分别对应接收板上的4 个数据位输出脚D0、D1、D2、D3。按按键发射信号，对应的数据位输出高电平。其中，D0 为开启警报、D1 为关闭警报、D2 为调高座椅、D3 为调低座椅，老人可以通过遥控器按下按键实现相应的功能，以最简单的方式提高老人的自理能力，增强他们生活的信心。红外遥控模块原理如图3 所示。

图3 红外遥控模块原理

2.2 蓝牙模块

本系统选用HC-08 蓝牙模块，它是新一代基于Bluetooth Specification V4.0 BLE 蓝牙协议的数传模块。同时可兼容5 V 和3.3 V 单片机系统，使用智能手机连接蓝牙即可，具有性价比较高、性能稳定、可靠性高的特点。

当手机蓝牙与单片机蓝牙模块配对连接成功后，HC-08内部程序可以直接将蓝牙串口设备当作串口使用。PC 机可通过AT 指令对蓝牙芯片进行控制[7-8]。通过互联网发送到终端，实现老人和家属的实时消息互通，并使远程医疗成为可能。当环境温度超过38 ℃时，系统会向手机发送危险指令，同时警报模式开启，实时为家属提供必要的信息。蓝牙模块原理如图4 所示。

图4 蓝牙模块原理

2.3 语音识别控制模块

本系统采用SU-03T 语音模块，该模块支持UART/GPIO/ADC/PWM 等接口，支持自定义CPIO 口控制。可实现人机对话、口令识别、语音控制等功能。

当语音识别模块检测到“调高座椅”“调低座椅”等关键词时，单片机会分析、处理提取的特征信息，然后将该特征信息模型与特征模型库对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别，进入中断读取相应指令[9]，对智能养老床系统进行座椅靠背的调节等。

2.4 警报模块

系统采用的警报模块为蜂鸣器，通过蜂鸣器的声响能实现报警功能。当发生火灾或老人体征数据出现异常时，传感器将采集的信息传送至单片机，单片机驱动三极管导通，使蜂鸣器发出危险报警信息。与此同时，蓝牙模块发出报警信号通知家属和医护人员，使家属和医护人员可以及时了解老年人的情况并处理。

三极管具有放大电流的作用，电阻可防止三极管导通。放大器的C 极可接到蜂鸣器的GND 端，放大器的B 极和单片机P1.5 口连接。P2 是低电平时，放大器C 极和B 极导通，C 极和E 极之间的电流放大，驱动蜂鸣器报警[10]。P2 是高电平时，C 极和E 极间不导通，蜂鸣器关闭报警。

2.5 数据采集模块

数据采集模块由心电传感器、脉搏传感器和温湿度模块组成。脉搏传感器把动脉搏动过程中产生的压力信号转换成电信号，并将采集的电信号通过放大滤波电路送入单片机，单片机对脉搏信号进行转换、预处理并显示在LCD 显示模块[11]；心电传感器可以提取放大的生物信号，或过滤微弱的生物电信号，经过放大器、电压缓冲器等直接供单片机采集；温湿度传感器采集周围环境的温度和湿度数据[12]，由单片机对采集数据进行循环检测、传输[13]，保证老人始终处在适宜的温度环境。处理后的数据通过蓝牙传输到带有蓝牙的手机中，实时显示供家属和医生查看。

2.6 电机驱动模块

本系统选择使用SG90 舵机作为控制器，通过直流电机的正反转模拟床体背部的升降。背部升降功能主要设计实现过程是在床体背部分别装有2 个舵机，使用同一路电信号进行同步控制，向其发送不同宽度的脉冲信号，控制舵机的旋转角度，完成对床板的升降控制，实现床背部的升降功能。

控制电路板接收来自信号线的PWM 控制信号，其中，脉冲宽度为0.5～2.5 ms，利用占空比的变化改变舵机的位置，相应舵盘的位置为0 ～180°，进而控制电机转动，实现了可调节靠背角度的功能[14]。

2.7 LCD 显示模块

本系统采用LCD1602 显示屏作为数据信息显示模块，利用液晶的物理特性，通过电压对液晶屏幕进行显示控制。通过显示屏可以及时显示和监测居家老人的生理参数，有效提升老人的居家幸福指数。

3 软件设计

控制系统软件使用C 语言编程模块化设计，遵循了程序模块化设计理念，除主程序外，还包括各功能子程序，如蓝牙连接程序、温湿度检测程序、红外检测程序、健康管家程序、语音控制程序、腿部伸屈程序、背部升降程序、健康数据统计程序、在线客服程序、实时定位程序等。APP 图标及主要功能界面如图5 所示。

图5 APP 主界面及主要功能界面

用户使用床体时，系统将自动登录并联网，APP 显示床体联网成功，此时开始检测用户身体的各项体征是否正常，检测后床体将数据上传至APP，APP 基于人体正常指标范围判断老人身体状况。若用户身体指标正常，则床体将继续保持对老人体征的实时监测状态并将数据上传至APP 进行分析；若身体存在异常，则APP 会对用户发出警报并显示异常数据，最后基于大数据进行分析，提供最佳解决方案。控制流程如图6 所示。

图6 手机端控制流程

4 系统测试及结果分析

4.1 监测测试

监测测试在Windows10 系统环境下进行，测试平台为串口调试助手，其波特率设为9 600，进行printf 日志打印。蓝牙模块通过ping 命令检查通信连接是否成功。电脑端控制窗口界面如图7 所示。

图7 电脑端控制窗口界面

4.2 语音识别与遥控控制测试

对非特定人语音识别系统进行测试，可以通过特定词条实验来判定系统性能的优劣。本次测试分别选择“开启警报”“关闭警报”“调高座椅”“调低座椅”词条，同时选择不同的人，经多次测试来判断系统性能。

对SU-03T 的MIC 顺序说出测试指令，并及时记录每一条指令识别成功的次数，进行汇总统计，完成相关测试工作。测试结果见表1 所列。

表1 系统测试实验

根据本系统的实验测试可得出结论：比较表1 中第1 列和第2 列的数据可知，与相对安静的环境相比，在开启警报的情况下系统成功识别的次数下降。由此可知，在相对安静的条件下，系统的识别率较高；在警报开启的情况下，发出的警报声在一定程度上影响了系统的识别率。

在警报模式下为了有效提高识别率，采取以下2 种措施：

（1）在设置好特定语音识别词条后，添加了多个与识别列表内有一定联系的任意其他条目，如警报开启、报警、救命等；

（2）麦克风灵敏度调高20%，系统的识别正确率可达90%。

红外遥控器分别按下按键A、B、C、D 时，警报响起、警报关闭、座椅升起、座椅降低等均正常出现。

4.3 蓝牙通信功能测试

为单片机供电后，可通过手机蓝牙与HC-08 模块配对，连接成功后即可通过手机接收单片机发送的串口数据。通信界面如图8 所示。

图8 蓝牙通信连接手机界面

4.4 测试总结

系统在室内连续开机三天，持续测量室温数据，不间断人为触摸呼叫设备并测量体温，得到数据后对其进行统计分析。经过多次调试，硬件工作正常，服务器运行正常，系统与外围设备通信正常。传感器测量的数据与实际数据误差较小，数据传输延迟较小。

5 结 语

本文所设计的智能养老床可用于家庭、养老院和医院，具有较大的实用性及可行性。利用数据采集模块收集的体征数据进行处理和分析，为老人建立专属的长期健康档案。利用多种控制模块控制床体，使床体的操作由繁化简，便于使用。家属可通过APP 实时了解老人的状况。该系统易于在多种应用环境中实现，有利于子女和医务人员及时了解老人的健康状态。智能养老床能够较好解决老年“养老难”“养老忧”等问题，本文所展示的床体功能和技术具有有较大的实践意义。

注：本文通讯作者为朱文婕。