面向卧床康复患者的物联网智能监测系统

李迪 陈香敏 陈耀宗 李园

摘要：文章设计了一款面向卧床康复患者的智能监测系统，旨在提高康复患者的安全性和监测水平。卧床患者因行动不便，对康复环境的要求较高。因此，该系统通过整合单片机控制技术和传感器技术，能够实时监测患者所处环境的温度、湿度和空气质量，以促进患者的康复进程。同时，该系统能够迅速检测床体跌落事件，有效降低意外事故风险。该设计可集成于智能护理床或普通康复床中，提升康复过程的智能化水平，减少人工检测的时间成本。

关键词：监测系统；卧床康复患者；单片机；传感器技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）10-0113-03

0 引言

随着社会的不断发展以及世界范围内人口老龄化进程的不断加快，康复治疗的重要性日益凸显。患者常常面临日常生活中的各种挑战，其中包括床体跌落的风险以及健康状况的监测需求。因此，设计一种面向卧床康复患者的物联网智能监测系统显得尤为重要，它能够为康复患者提供更加安全可靠的生活环境和护理支持。目前，对患者的监测系统大多以监测生命体征为主，而针对患者所处环境监测系统的设计与应用相对较少[1-2]。同时，对床体跌落检测系统的研究也尚处于初级阶段。现有的患者检测系统存在功能单一、智能化程度较低等问题[3]。

本文介绍了一种面向卧床康复患者的物联网智能监测系统，并对该系统的组成部分、工作原理等进行了详细阐述。该系统整合了单片机控制和传感器技术，旨在为患者提供高效、安全的康复治疗。系统通过监测患者所处环境的参数，如温度、湿度和空气质量，确保康复环境符合医学要求，并为满足患者的个性化需求提供支持。此外，该系统还具备床体跌落检测功能，能够及时发现患者从床体跌落的情况，提供紧急援助，从而减少潜在的伤害风险。这项技术的应用将有助于降低医护人员的劳动强度，提供更全面的患者护理，并为制定患者的康复计划提供相关数据支持[4]。通过本研究，我们希望能够推动相关技术在医疗保健领域的应用，为康复患者提供更好的支持与保障，让更多人受益于现代科技的进步[5]。

1 系统总体设计

卧床康复患者行动不便，同时对康复环境有一定要求。本文设计的系统可安装在康复床上，作为辅助监测系统。该系统能够监测卧床康复的环境以及患者是否从床体跌落，以促进患者尽快康复[6]。对于温度的监测，适宜的温度有助于患者的舒适感及体温调节，过高或过低的温度都可能引发不适和健康问题，尤其是康复患者，他们往往对温度变化更为敏感。对于湿度的监测，适当的湿度水平有助于保持呼吸道湿润，减轻呼吸不适，这对呼吸系统康复患者尤为重要。对于空气质量的监测，良好的空气质量对康复患者的康复至关重要，高浓度的细颗粒物和有害气体可能加剧患者的症状。同时，对床体跌落的监测能够及时发现患者从床体跌落的情况，以便及时救治，避免患者受到二次伤害。基于这些需求，对本系统进行了设计开发。

根据设计要求，文章设计了一款针对康复环境及床体跌落的监测系统。该系统主要由六大模块组成，包括控制模块、监测模块、显示模块、Wi-Fi通讯模块、输出模块以及按键输入模块。控制模块选用STC12 系列的单片机作为核心控制器，负责数据处理和程序控制；监测模块则集成了温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器和压力传感器，用于实时监测康复环境；显示模块采用OLED显示屏，实时展示所监测的康复环境参数以及参数设置；Wi-Fi通讯模块实现无线通信功能，使系统能够联网，便于远程实时监测环境参数及床体跌落情况；输出模块负责报警输出，当控制器发出报警信号时，该模块将发出警报声并点亮报警指示灯；按键输入模块则用于设置各康复环境参数的报警范围等。

2 系统硬件电路设计

2.1 单片机

本设计所采用的单片机型号为STC12C5A60S2，STC系列单片机具有保密性能好、抗干扰能力强、防外部电磁辐射功能等优点。单片机工作所需的最少元件组成的系统被称为最小系统。

2.2 湿度传感器

湿度传感器用于实时测量患者的康复环境湿度。适宜的湿度有助于维护呼吸系统健康、避免脱水以及减轻炎症等。本设计选用的传感器型号是DHT11，它是一款温湿度复合传感器，并具备已校准的数字信号输出功能。将传感器模块置于所需监测的环境中，通过电阻式感湿元件可以测量环境中的湿度。传感器模块的引脚定义如表1所示，主要技术参数如表2所示。

2.3 温度传感器

温度传感器用于实时测量患者的康复环境温度。适宜的温度有助于促进伤口愈合、提高患者的舒适性和康复效果。本设计选用的传感器型号为DS18B20，该传感器是数字式单总线温度传感器，具有线路简单、体积小的特点。DS18B20引脚的功能如表3所示，其主要技术参数如表4所示。

2.4 空气质量传感器

通过监测室内空气质量，可以帮助康复患者避免暴露于有害气体、颗粒物和其他空气污染物质，从而减少症状加重的风险。保持室内空气质量良好对于改善呼吸道健康、促进更快的康复过程至关重要。本设计选用的是MQ-135空气质量传感器，MQ-135空气质量传感器通常具有高精度和稳定性，能够提供实时的空气质量数据，它能够测量空气中的各种污染物，如挥发性有机化合物（VOCs） 和二氧化碳（CO2） 等。

2.5 压力传感器

压力传感器用于监测患者在床上的情况，以判断患者是否发生床体跌落。将压力传感器置于患者所使用的床垫中，当患者躺在床垫上时，压力传感器会输出一个压力信号给控制器（单片机）。当床体跌落监测功能开启后，控制器会根据读取到的压力传感器信号判断是否发生床体跌落。若有压力信号，则说明患者躺在床垫上，未发生床体跌落；若无压力信号，则说明患者不在床上，此时判定为发生床体跌落，并发出警报。考虑到患者上下床时可能引发的误判情况，因此在患者下床时，应关闭床体跌落监测功能，以避免误报。压力传感器选用电阻式薄膜压力传感器，其工作原理基于电阻值与压力的关系。當受到外部压力时，薄膜发生形变，导致电阻值变化，从而实现压力测量。该类型传感器具有结构简单、体积小、响应速度快等特点，广泛应用于医疗设备、工业自动化等领域。

2.6 显示模块

为了能够实时观察患者所处环境情况，该系统加入了显示模块，该模块采用了OLED128×64显示屏。这款显示屏能够同时显示128×64（即128列64行）个字符。在设计时，温度、湿度、烟雾浓度、压力值分别用“温度”“湿度”“烟雾”“压力”来表示；温度单位为“℃”、湿度单位为“RH%”、烟雾浓度单位为“%”、压力单位为“N”。显示屏能够显示康复环境的温湿度、空气质量、压力值等参数，并允许用户设置并显示这些参数的报警范围。OLED显示屏具有响应时间快、视角广、对比度高、灵活性好等优点，因此被广泛应用于智能手机、电子设备和可穿戴技术等领域，为用户提供了更高质量的图像和视觉体验。

2.7 按键输入电路

按键输入电路用于控制床体跌落监测功能的开启与关闭以及切换显示屏显示画面和修改设置各项参数。通过自锁按钮控制是否启动床体跌落监测功能，选用两个按钮进行OLED显示画面的切换，另外两个按钮用于调节所监测的康复环境报警数值大小，再选取两个按钮调节参数的位数。在按键输入电路中加入了上拉电阻，确保信号线在没有外部输入时保持高电平，从而提高稳定性。上拉电阻具有避免端口悬空、稳定信号、节省功耗、防止电流回路等优点。

2.8 报警电路设计

报警电路主要由报警指示灯、有源蜂鸣器以及继电器等组成。在指示灯回路中加入了4.7 KΩ的电阻，以防止回路中电流过大或指示灯电压过高导致损坏。在继电器回路中，并联了一个二极管，其主要作用是防止感应电动势。当继电器线圈断电时，线圈中的电流突然减小，会产生感应电动势，这可能导致火花或电弧，从而损坏继电器的开关部分。通过并联二极管，可以确保继电器的长寿命和可靠性。继电器的作用是在电路中实现电信号对大电流或高电压开关操作的控制。由于单片机给出的信号无法满足指示灯的工作电压，因此通过单片机信号控制继电器，进而控制指示灯的启动与停止。

3 软件设计

本文设计的卧床康复患者的物联网智能监测系统的程序使用C语言进行编写，并在Keil编译器中进行开发设计，同时采用了模块化的设计理念。

系统上电后，单片机及各个模块将进行初始化。初始化完成后，需对各个监测参数的报警范围进行设置。设置完成后，温度传感器、湿度传感器、空气质量传感器将开始采集康复环境中的温度、湿度、烟雾浓度等数据，压力传感器对床垫压力进行采集。单片机将对这些接收到的数据进行处理，并判断其是否在所设置的范围内。若数据超出或低于所设定参数的范围，则报警指示灯将亮起，蜂鸣器会发出警报声；若数据在该范围内，则报警指示灯和蜂鸣器均不启动。采集到的温度、湿度、烟雾浓度、压力值将实时显示在OLED12864显示屏上，并通过Wi-Fi通讯模块将数据传输给上位机。

通过对康复环境及床体跌落情况的实时监测，系统能够及时发现问题并做出处理，确保康复患者处于一个舒适的康复环境中。系统软件设计的主程序流程如图1所示。

4 结束语

面向卧床康复患者的智能监测系统代表了医疗和健康护理领域的重要技术进步，此系统的实施旨在提供更安全和有效的康复环境。本文设计的智能监测系统可安装于市面的普通病床或智能康复床，可将本系统的跌落检测模块安装于床垫，环境监测模块安装于床体。康复环境和床体跌落监测系统结合传感器技术和单片机控制技术，可以实时监测患者所处环境的温度、湿度、空气质量等参数以及迅速检测床体跌落事件，可以减少患者意外事故的风险，提供个性化的护理，辅助患者康复。此外，这一技术对医护人员的工作提供了有力支持，通过提供数据来辅助制定治疗和康复计划。

参考文献：

[1] 严玉双，邓成中，任洋，等.基于NB-IoT的卧床老人监测系统[J].电子设计工程，2023，31（17）：95-99.

[2] 周洁.针对长期卧床老人的护理服务体系与产品设计[D].北京：北京工业大学，2019.

[3] 张震，郭晓金，刘煌.居家智慧养老监测系统的设计[J].现代电子技术，2022，45（18）：171-176.

[4] 郭会娟，梁磊，方平龙.面向空巢老人健康监测产品的服务系统设计研究[J].合肥师范学院学报.2022，40（5）：81-86.

[5] 徐虹.智慧居家养老安全监测系统架构标准化研究[J].信息技术与标准化，2022（9）：59-63.

[6] 李珂心，吴智慧.基于养老场景的智能家居監测平台设计研究[J].家具与室内装饰，2022，29（3）：56-60.

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