常國權，侯貴法，郭曉波

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽455000)

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基于以太網(wǎng)的智能護理床系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

常國權*，侯貴法，郭曉波

(安陽工學院計算機科學與信息工程學院，河南安陽455000)

摘要:為了實現(xiàn)對老人、失能人群進行更好的照顧和護理，減少護理人員的工作強度并提高護理效率和護理質(zhì)量，采用STM32微控制器和ENC28J60以太網(wǎng)芯片設計了一種網(wǎng)絡化的智能護理床系統(tǒng)，STM32微控制器通過對護理床傳感器信號進行采集和處理，控制護理床系統(tǒng)實現(xiàn)自動接便、左右側翻、交互式操作、自動報警及網(wǎng)絡化管理與集中式監(jiān)管等功能。經(jīng)過實際測試證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、管理方便，獲得了較好的效果。

關鍵詞:護理床; STM32微控制器; ENC28J60; uIP協(xié)議棧; ACS712ELC

目前，我國已經(jīng)逐漸步入老齡化社會，有關專家預計，今后50年內(nèi)，我國老齡人口將達到總人口數(shù)的三分之一［1］。人口老齡化帶來的問題之一就是老人的照顧和護理，而照顧和護理老人、殘障人等失能人群給護理人員帶來了極高的勞動強度和護理工作上的麻煩，特別是在一些醫(yī)院、養(yǎng)老院、老年公寓等機構中對這些失能人群的護理更是一個突出的問題。傳統(tǒng)的護理床和傳統(tǒng)的護理方式已經(jīng)無法滿人們對護理質(zhì)量和更加人性化護理功能的需求。

1　系統(tǒng)概述

為了實現(xiàn)對老人、失能人群進行更加有效的照顧和護理，設計了一種數(shù)控智能護理床系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用32 bit STM32微控制器作為主控制器，并擴展了接便控制系統(tǒng)、左右側翻控制系統(tǒng)、電流檢測傳感器、尿濕檢測傳感器、320×240液晶顯示、存儲器以及以太網(wǎng)等外圍模塊，既能聯(lián)機操作又能脫機操作，可以對被護理人實現(xiàn)智能化護理。STM32微控制器檢測尿濕傳感器，并可控制電機帶動接便裝置實施接便，同時開啟報警系統(tǒng)和LED指示燈發(fā)出提示，等待護理人員進行處理;被護理人可以通過按鍵控制護理床實現(xiàn)左右側翻、仰臥起背、報警提示等操作;驅(qū)動電機配有電流檢測芯片ACS712ELC，該芯片把檢測到的電機運行電流轉(zhuǎn)換為模擬信號送給STM32進行處理，以判斷電機電流是否超出設定范圍，對被護理人和電機起到安全保護作用;系統(tǒng)所有的參數(shù)信息都可以存儲在EEPROM或Flash存儲器模塊中，而以太網(wǎng)模塊則可以把系統(tǒng)接入到以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，從而可以實現(xiàn)網(wǎng)絡化的信息采集和管理，這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護理機構實現(xiàn)集中式的護理工作特別有效，可以大大減少護理人員的工作強度、提高護理工作效率和護理質(zhì)量。系統(tǒng)的總體結構示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的總體結構示意圖

2　系統(tǒng)硬件設計

2.1系統(tǒng)電源設計

由于系統(tǒng)采用的STM32微控制器、Flash存儲器W25Q16和ENC28J60網(wǎng)絡芯片等模塊的工作電壓是3.3 V，而液晶模塊、繼電器等模塊的工作電壓是5 V，系統(tǒng)需要3.3 V和5 V的電源電壓，考慮到系統(tǒng)5 V電源需要的功率較大，系統(tǒng)電源設計采用了效率更高、功能更強的DC-DC轉(zhuǎn)換器LM2576－5.0。LM2576系列是美國國家半導體公司生產(chǎn)的3 A電流輸出降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)含固定頻率振蕩器和基準穩(wěn)壓器，并具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(wěn)壓電路［2］。而AMS1117則給功耗較低的STM32微控制器等模塊提供3.3 V工作電壓。自恢復保險絲F1和穩(wěn)壓二極管D3構成電壓保護電路，當因其他原因致使輸出電壓超過5.3 V以上時，D3導通，從而使F1自動保護。D4～D7構成系統(tǒng)的LED狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源設計原理圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)電源設計原理圖

2.2系統(tǒng)主控電路接口設計

綜合成本、性能等各方面考慮，主控制器采用的是意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103RBT6微控制器，它是基于Cortex-M3核心的32 bit處理器，它具有高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點［3］。該芯片內(nèi)部集成了豐富的模塊，可以減少系統(tǒng)設計的復雜度［4］。系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口芯片采用的是美國微芯科技公司(Microchip Technology Inc)推出的兼容IEEE 802.3協(xié)議規(guī)范的一款以太網(wǎng)控制器芯片ENC28J60，它是專門針對嵌入式應用以太網(wǎng)解決方案而設計的。ENC28J60是28引腳獨立以太網(wǎng)控制器，帶有行業(yè)標準的高速SPI接口，并集成了介質(zhì)訪問控制器(MAC)和10 BASE-T物理層(PHY)，支持全雙工和半雙工模式［5］。ENC28J60沒有集成硬件的網(wǎng)絡協(xié)議棧，需要移植專門的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧才能工作。STM32和ENC28J60采用的是模擬SPI總線接口方式，只需選用STM32通用IO口和ENC28J60連接即可。EEPROM存儲器AT24C16用來存儲系統(tǒng)參數(shù)信息，如尿濕傳感器閥值、電機電流閥值、網(wǎng)絡芯片的MAC地址、IP地址等;而Flash存儲器W25Q16的容量為2 Mbyte，則用來存儲漢字字模庫、圖片庫等數(shù)據(jù)，它們的工作電壓都是3.3 V，采用模擬接口通訊，可以和STM32直接接口。J2是按鍵接口，按鍵采用電容式觸摸按鍵芯片JR1610C來設計，JR1610C是I2C接口的16鍵專用檢測傳感器IC，具有使用壽命長、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點［6］。J3是尿濕傳感器接口，尿濕傳感器采用橡膠墊封裝交叉疏狀電極的濕敏電阻傳感器，當有尿濕時兩電極之間電阻變小，它具有靈敏度高、恢復快、易于清理的特點，可通過RSE1對采集靈敏度進行微調(diào)，也可通過STM32程序進行調(diào)節(jié)。STM32使用自帶的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器完成對尿濕傳感器采集、轉(zhuǎn)換操作，并完成比較、控制等操作。系統(tǒng)主控電路設計原理圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主控電路設計原理圖

2.3電機控制系統(tǒng)電路設計

該護理床系統(tǒng)的自動接便控制系統(tǒng)、左右側翻控制系統(tǒng)、仰臥起背控制系統(tǒng)是通過光耦和繼電器共同控制直流電機實現(xiàn)正向和反向運動的。當光耦U7導通、U8截止時，繼電器JDQ1的1引腳接+16 V，而繼電器JDQ2的1引腳接地，此時電機M1實現(xiàn)正向轉(zhuǎn)動;當光耦U7截止、U8導通時則電機M1反向轉(zhuǎn)動，而當光耦U7、U8同時截止或?qū)〞r，電機因其兩端的電壓相同而停止轉(zhuǎn)動。電機電流傳感器采用的是ACS712ELC，它是Allegro公司生產(chǎn)的基于霍爾效應的線性電流傳感器，ACS712ELC具有高絕緣電壓、單電源操作、極低內(nèi)部傳導電阻等優(yōu)點，可為工業(yè)、汽車、商業(yè)和通信系統(tǒng)中的交流或直流電流感測提供經(jīng)濟實惠的精密解決方案［7］。ACS712ELC電流傳感器監(jiān)測通過電機的電流值，并傳遞給STM32微控制器實時處理，當電機負載增大到一定程度，通過電機的電流值超過預先設定閥值時，STM32微控制器控制繼電器使電機停止轉(zhuǎn)動，從而起到安全保護作用。其中，D8和D9是保護二極管。C13～C16是高壓電容，可以起到保護電路的作用。接便電機控制系統(tǒng)電路設計原理圖如圖4所示。左右側翻和仰臥起背電機控制系統(tǒng)電路跟該圖類似。

圖4　接便電機控制系統(tǒng)電路設計原理圖

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要包括下位機軟件設計、上位機前臺和后臺軟件設計，下位機軟件設計是系統(tǒng)的核心。下位機軟件在MDK環(huán)境下采用C語言編寫，采用ST-LINK仿真器通過SWD兩線接口對程序進行調(diào)試與下載［8］。系統(tǒng)上電以后首先進行系統(tǒng)初始化工作，包括初始化系統(tǒng)時鐘、初始化ADC、初始化IO口、初始化ENC28J60等操作，完成系統(tǒng)初始化操作之后，STM32微控制器從AT24C16存儲器中讀取系統(tǒng)信息并顯示在320×240液晶屏幕上，如被護理人信息、系統(tǒng)當前的時間、日期、IP地址等系統(tǒng)的一些參數(shù)。之后系統(tǒng)通過一個引腳跳線來確定是否需要聯(lián)網(wǎng)操作，如果工作在聯(lián)機模式，則系統(tǒng)會用分配給它的IP地址去連接服務器，直到成功連接到服務器;不管是聯(lián)機模式還是脫機模式，系統(tǒng)做完以上初始化操作后進入自動接便工作模式，用戶可以通過按鍵實現(xiàn)模式的切換以及其他控制操作，如實現(xiàn)仰臥起背、左右側翻一定的角度、按下啟動報警器呼叫醫(yī)護人員等操作，當尿濕傳感器超過設定的閥值時，系統(tǒng)會啟動自動接便控制系統(tǒng)進行接便，同時開啟報警、指示系統(tǒng)，并把被護理人的相關信息發(fā)送到服務器，以便于護理人員及時進行護理操作。STM32微控制器實時檢測相應控制電機的運行電流值，一旦某個電機電流超過規(guī)定的閥值一段時間(如1 s)，STM32微控制器立即關閉相應繼電器，使電機停止轉(zhuǎn)動，起到安全保護作用。下位機軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5　下位機軟件設計流程圖

以太網(wǎng)芯片ENC28J60可以實現(xiàn)把護理床系統(tǒng)接入到以太網(wǎng)網(wǎng)絡中，從而可以實現(xiàn)網(wǎng)絡化的信息采集和管理。要實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，就需要在STM32嵌入式系統(tǒng)上實現(xiàn)一個網(wǎng)絡協(xié)議棧，這里在ENC28J60上移植了一個uIP協(xié)議棧，uIP協(xié)議棧是專門針對嵌入式應用設計的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧［9］，它去掉了完整的TCP/IP中不常用的功能，保留了網(wǎng)絡通信必須使用的IP、TCP、ICMP、UDP、ARP等網(wǎng)絡協(xié)議，保證了代碼的通用性和結構的穩(wěn)定性［10］。uIP協(xié)議棧支持C/S和B/S模式，系統(tǒng)采用的是C/S模式，即護理床系統(tǒng)作為客戶端，PC機服務器的上位機軟件作為服務器，通過服務器和下位機配合可以實現(xiàn)自動分配網(wǎng)絡的MAC地址、IP地址等信息，這就增加了網(wǎng)絡連接的靈活性以及方便對多個護理床進行有效的管理。

PC機軟件是使用VC++6.0和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫設計開發(fā)的，使用了網(wǎng)絡Socket編程技術［11］。為了實現(xiàn)管理上的方便，上位機軟件采用了前臺和后臺設計模式，后臺即是C/S模式中的服務器，它跟SQL Server數(shù)據(jù)庫都運行在服務器上，而前臺跟多個護理床系統(tǒng)一樣屬于一個客戶端。后臺根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的IP地址等信息建立多個相應的線程，等待客戶端的連接，并用一個專用的線程在一個固定端口監(jiān)聽新客戶端的連接，當雙方建立好網(wǎng)絡連接之后，后臺通過查詢數(shù)據(jù)庫給該新客戶端分配另外一個固定的MAC地址和IP地址，并建立起一個相應的線程等待客戶端的下一次連接，這種方式提高了系統(tǒng)的方便性和靈活性。后臺負責把多個護理床客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)庫，并負責把前臺發(fā)給護理床客戶端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應的客戶端，而前臺負責從數(shù)據(jù)庫中實時讀取被護理人的數(shù)據(jù)信息，并把被護理人的數(shù)據(jù)信息顯示出來，隨時可以監(jiān)測被護理人的情況，并做出及時的處理。這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護理機構實現(xiàn)集中式的護理工作特別有效，可以大大減少護理人員的工作強度、提高護理工作效率和護理質(zhì)量?？蛻舳诉B接服務器測試效果如圖6所示。服務器記錄設備信息數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6　客戶端連接服務器測試

圖7　服務器記錄設備信息數(shù)據(jù)

4　結論

以STM32微控制器為核心，并擴展以太網(wǎng)、尿濕傳感器、電流傳感器、液晶顯示、報警提示以及電機控制等外圍模塊設計的智能護理床，可以對老人、失能人群進行更好的照顧和護理，系統(tǒng)除了具有其他護理床的護理功能外，還實現(xiàn)了網(wǎng)絡采集和監(jiān)管的功能，這對于養(yǎng)老院、醫(yī)院等護理機構實現(xiàn)集中式的網(wǎng)絡化管理提供了必要的手段，減少了護理人員的工作強度并提高了護理效率和護理質(zhì)量。經(jīng)過測試證明，該系統(tǒng)安全可靠、操作簡單、管理方便，推廣使用，會產(chǎn)生顯著的社會效益。

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常國權(1973－)，男，漢族，河南省清豐縣人，安陽工學院計算機科學與信息工程學院講師，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)技術應用與開發(fā)，changguoquan@126.com。

Design of Speech Processing Platform for Hearing Aids*

LIANG Ruiyu*，WANG Guowei，XUE Wanli，NI Ye
(School of Communication Engineering，Institute of Nanjing Technology，Nanjing 211167，China)

Abstract:Considering the characteristic of the hearing-aid with small size，and low power consumption，one development platform based on the real-time speech processing algorithm of embedded systems is designed.The hardware core of the platform is mainly composed of CortexA8 chip and FPGA chip，which contains four key modules:audio input module，internal clock module，F(xiàn)PGA control module and signal processing module.In order to improve the system processing efficiency，the multi-channel speech processing conversion module based on FPGA is designed.The speech enhancement algorithm of the hearing-aid based on Wiener filtering is designed and realized to verify the platform performance and a subjective test is conducted with good experiment results.

Key words:hearing aid; speech signal; Wiener filter; embedded system

doi:EEACC:722010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.036

收稿日期:2015－02－01修改日期:2015－03－05

中圖分類號:TP368.2

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0893－05

項目來源:2012國家自然科學基金項目(U1204613)