吳春華，孫 瑜

（南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京210014）

多功能護理床遠程控制系統(tǒng)的設(shè)計

吳春華，孫 瑜

（南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京210014）

為方便病人家屬和醫(yī)護人員遠程操作護理床并了解病人身體狀況，設(shè)計了一種基于WiFi通信的多功能護理床遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，手機終端可遠程控制護理床的動作并獲取病人的基本生命體征數(shù)據(jù)。采用了C/S架構(gòu)和TCP/IP通信模式，護理床通過ESP8266 WIFI模塊聯(lián)網(wǎng)，手機終端和護理床都作為客戶端訪問服務器。護理床主控制器采用的是STM32F401 Nucleo開發(fā)板，客戶端和服務器程序編寫用的是Qt5.4。測試結(jié)果表明，護理床可準確執(zhí)行手機終端命令的動作。

護理床；遠程控制；WiFi通信；STM32F401 Nucleo

21世紀是人口老齡化的時代[1]，目前，中國老年人口數(shù)量和老年人口發(fā)展速度都已達到世界之最[2-3]。社會人口的老齡化給我國養(yǎng)老行業(yè)和醫(yī)療護理行業(yè)提出了嚴峻的考驗。而不論在醫(yī)院、養(yǎng)老院還是家庭中，多功能護理床[4-5]都發(fā)揮著越來越重要的作用。國內(nèi)外很多學者對多功能護理床乃至智能護理床都進行了深入的研究[6-9]。目前國內(nèi)使用的主要是機械手搖式護理床和電動護理床，它們能很好地幫助大部分老人。但對于重度失能老人，醫(yī)護人員和家屬必須在旁邊操縱護理床，完成坐立、翻身等動作，醫(yī)護人員還是有很大工作量，家屬要照顧老人也不能自由出入。同時，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種生命體檢測模塊[10-11]的出現(xiàn)，使實時監(jiān)測病人身體狀況成為可能。文中設(shè)計了一種護理床遠程控制方案，用戶可通過手機或PC客戶端連接服務器，遙控護理床使之實現(xiàn)坐立、抬腿、翻身、沖洗等功能，并獲取病人的心率、體溫、血壓等基本生命體征數(shù)據(jù)。既實現(xiàn)了遠程控制功能，也方便系統(tǒng)對護理床進行集中管理。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。手機和PC終端通過GPRS或WiFi網(wǎng)絡(luò)連接遠程服務器，護理床也通過無線WiFi與服務器相連。每臺護理床都有唯一的物理地址稱為MAC地址，手機和PC終端接入系統(tǒng)時通過護理床MAC地址來確定它所要連接的護理床。同時，該終端也被設(shè)置一個MAC地址，且與之連接的護理床的MAC地址一致，以便信息交互時的尋址。配對的終端和護理床就可通過服務器相互發(fā)送信息，這些信息包括終端發(fā)出的控制命令和護理床回復的生命體征數(shù)據(jù)。

2 基于WiFi的通信方案

在通信方案中，護理床是通過無線WiFi連網(wǎng)的。WiFi能將網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品以無線的方式相互連接，具有接入簡單，傳輸速率高，覆蓋范圍廣等優(yōu)點[12-13]。WiFi通信方案結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的遠程通信方案框圖

2.1 WiFi模塊的選擇

WiFi模塊選擇的是ESP8266。ESP8266是專為移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，它集成度高，且功耗低，可以搭載其它軟件應用作為設(shè)備中唯一應用處理器，也可以很方便地嵌入到任何基于微控制器的設(shè)計中。文中就是將ESP8266嵌入到基于STM32F401 Nucleo的系統(tǒng)中，負責WIFI連網(wǎng)，為STM32F401 Nucleo接收、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 通信協(xié)議和模型的選擇

通信協(xié)議選擇的是TCP/IP協(xié)議[14-15]。TCP/IP協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，是一種可靠的傳輸協(xié)議，三次握手。同時，TCP/IP協(xié)議不依賴于任何特定的計算機硬件或操作系統(tǒng)，也不依賴于特定的網(wǎng)絡(luò)傳輸硬件，開放性好。

通信模型選擇的是基于TCP/IP協(xié)議的C/S模型，即客戶端/服務器模型，是用戶請求服務，服務器提供服務的一種應用，具有服務器負荷小，響應速度快的優(yōu)點。

文中，手機和PC終端與服務器間，以及護理床和服務器間都是C/S模式。終端將控制命令發(fā)給服務器，由服務器轉(zhuǎn)發(fā)給護理床；護理床收到命令后執(zhí)行相應的動作并將病人的生命體征數(shù)據(jù)發(fā)給服務器，由服務器轉(zhuǎn)發(fā)給終端。

2.3 通信協(xié)議的設(shè)計

通信過程中的每條信息都是以16進制數(shù)組的形式發(fā)送的，信息的第一個字節(jié)保存的是該信息的字節(jié)數(shù)。通信協(xié)議的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 通信協(xié)議設(shè)計

3 控制器部分的設(shè)計

控制器的設(shè)計如圖3所示：

圖3 控制器設(shè)計

主控制器采用STM32F401 Nucleo核心板，負責護理床各個動作的控制、生命體征數(shù)據(jù)的檢測以及無線通信控制。STC15F2K60S2單片機主要控制沖洗相關(guān)動作。護理床各個動作的變換包括坐立、躺下、左右翻身、開蓋和關(guān)蓋（便盒的上升和下降），這些動作依靠5個電動推桿實現(xiàn) （推桿的動作依靠的是有刷直流電機），推桿可以往復運動，當一個動作到達指定位置時，護理床上的限位開關(guān)會發(fā)信號給主控制器以停止推桿的運動。生命體征數(shù)據(jù)的檢測包括體溫、心率和血壓，這些數(shù)據(jù)是通過體溫檢測模塊、動態(tài)血壓檢測模塊和脈搏檢測模塊獲得的。沖洗相關(guān)動作包括臀部清洗、女性清洗、烘干、調(diào)節(jié)，由STC15F2K60S2控制相應的動作。當手機或PC控制終端發(fā)出指令時，服務器將指令通過WiFi模塊傳給主控制器。主控制器發(fā)送指令或信號到相應模塊，主控制器獲得的數(shù)據(jù)也會傳回給終端。

4 客戶端/服務器端程序編寫

軟件程序的編寫，文中用的是qt5.4。qt5.4支持android，使得開發(fā)的客戶端程序可在android手機和平板上運行。文中采用QTcpServer類編寫服務器端程序，QTcpSocket類在服務器端口監(jiān)聽，一旦發(fā)現(xiàn)客戶端有連接請求，就建立socket連接。程序流程圖如圖4所示。

圖4 軟件程序流程圖

護理床和手機終端都作為客戶端，向服務器請求服務。由于客戶端的IP各不相同，服務器需要監(jiān)聽所有IP，當有連接請求時，服務器就創(chuàng)建一個新的tcpsocket連接并放入vector中，vector的下標即為tcpsocket連接的mark標識。服務器用bed_mac[]、controller_mac[]這兩個數(shù)組分別記錄護理床和控制終端的MAC地址所對應的tcpsocket連接的mark標識，以便在服務器轉(zhuǎn)發(fā)信息時通過MAC找到相應的tcpsocket連接。當客戶端離線時，就刪除vector中對應位置存儲的tcpsocket連接，并將值設(shè)為NULL，當有新的連接請求時，創(chuàng)建新的tcpsocket連接，取代vector中值為NULL的位置。理論上，護理床不會主動離線，服務器也不會輕易關(guān)閉。

手機終端最終app界面組成如圖5所示，用戶界面即主界面包括用戶連接、床體動作、日常清洗、體征檢測4個部分。用戶連接部分包括輸入服務器的IP地址和端口號的方框以及連接/斷開按鈕，床體動作部分包括各個動作的按鈕，日常清洗和體征檢測部分組成也與床體動作部分類似。

圖5 終端app用戶界面功能組成圖

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)完成后，我們用手機和平板終端app測試了遠程控制的各個功能效果，測試結(jié)果表明：終端可通過數(shù)據(jù)流量和WIFI在省外控制護理床的各個動作；操作時可點動按鈕也可長按按鈕；系統(tǒng)操作安全，不會有護理床動作到位后終端繼續(xù)發(fā)送命令導致系統(tǒng)損壞的情況。總之，系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)遠程控制護理床的功能。圖6測試的是用app控制護理床左右翻轉(zhuǎn)；圖7顯示的是用手機app遠程獲取生命體征數(shù)據(jù)。

圖6 左右翻轉(zhuǎn)測試

圖7 生命體征數(shù)據(jù)監(jiān)測測試

6 結(jié) 論

文中設(shè)計的護理床遠程控制方案可用于醫(yī)院、養(yǎng)老院，對病人進行集中管理；也可用于普通家庭中，方便病人家屬更好地照料病人的生活。1）在服務器承載能力足夠的情況下，可容許上萬臺護理床同時在線，擴展性好；2）手機終端的接入靈活，可隨機選擇與哪個護理床配對；3）可用于醫(yī)療方面對病人體征數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)處理。總之，該方案有很廣闊的應用前景。

當然，文中還存在很多不足，如：1）對病人體征數(shù)據(jù)的檢測項目比較簡單，不夠細致；2）終端和護理床都連接服務器，服務器的負擔較重。這些都還需要做進一步研究。

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The design of a remote control system of multi-function nursing beds

WU Chun-hua，SUN Yu
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China）

To make remote operation of nursing beds and medical staffs acquainted with patients' physical condition easily，this paper designs a nursing bed remote control system based on WiFi communication.In which，nursing beds could be controlled remotely by mobile terminal and patients' basic physiological information data can be obtained.STM32F401 Nucleo is the main controller.C/S architecture and TCP/IP communication model are chosen.Nursing beds connect to the Internet through ESP8266 WIFI module.Mobile terminals and nursing beds can access server as clients.STM32F401 Nucleo is the main controller.Client and server program is written with Qt5.4.Test results show that nursing beds can execute command from terminal accurately.

nursing bed；remote control；WiFi communication；STM32F401 Nucleo

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0171-04

2016-03-30稿件編號：201603409

吳春華（1993—），女，河南信陽人，碩士研究生。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。