基于传感器技术的双模式智能清洁护理床技术

【摘 要 】针对当前清洁护理床智能化程度不高,处理需要人工干预的问题,通过引入传感器技术,利用微控制器对清洁护理床运行过程进行自动控制,提出了一种新的基于传感器技术的双模式智能清洁护理床模型,提高了护理床的智能性和可靠性.

【关 键 词 】传感器技术；微控制器；双模式；智能清洁护理床

1.引言

随着我国老年人、残疾人、长期卧床的病人日益增多,社会越来越重视对自理能力较弱人群的的护理工作.相比于普通人,慢性病人、瘫痪病人和残疾人士的卧床时间更长,因此开发出一种舒适、护理功能齐全,性价比高的护理床,将具有广阔的市场前景.

传感器正向微型化、自动化、无创化、多参数和智能化的趋势迅速发展.以微机械加工技术为基础,低能耗、高集成电子元件的加入使传感器技术发展迅速.传感器作为前端数据采集单元,可以实现低成本、高精度的前端生理数据采集功能.

护理床经历了由机械化向电动化、自动化、智能化发展的过程.针对现有的清洁护理床智能化程度不高、人性化设计美中不足的问题.本文通过引入测温传感器对病人的生理信息进行实时检测,利用微控制器对清洁护理床运行过程进行自动控制,提出一种新的基于传感器技术的双模式智能清洁护理床模型,减轻了医护人员工作强度,提高医疗护理的实时性.

2.总体设计

智能清洁护理床需实现以下三项基本功能：（1）监测病人的生理信息,并实时在显示器上进行显示,以便医生随时掌握病人情况；（2）对病人的大小便进行及时的清理；（3）满足日常护理所需的各种位姿要求,防止褥疮的发生.

智能清洁护理床由控制手柄,床面结构、传感器单元、显示单元、控制单元、电机执行单元等六部分组成.控制手柄用于医护人员对清洁护理床进行控制.床面结构实现病人基本的位姿需要.传感器单元负责接收病人的生理特征信息,进行信号转换,将病人情况实时输出至显示单元,同时进行病人生理信息采集并反馈给控制单元.控制单元由FPGA实现,扩展传感器的使用功能,提高测量精度,对突发事件做出及时反应,控制床面结构的运动状态,接收传感器单元信号输入,自动启动清理程序,实现对病人大小便的快速清理.并输出执行单元的电机控制信号,满足病人的各种位姿需求,实现清洁护理床需完成的几项基本功能,并使设备具有监测、控制和自动执行的功能.电机执行单元由电机驱动系统和电机运转系统组成,通过直流电机实现,从控制单元获取指令,并根据指令要求执行相应动作,实现具体的床体动作,实现对病人大小便的清理.总体设计图如图1所示.

3.床面结构

3.1 基本结构

床面基本结构由可活动框架、床板,辅助解便模块组成,床板由若干板块构成,板块之间协调运动,满足病人活动所需的各种位姿要求,主要实现平躺、仰起、背升、背降、伸腿、蜷腿、左右翻身、辅助排便等功能.床板各个部分既可独立运动来完成相应动作,也可将单个功能组合起来实现复杂的功能,通过改变床靠背板的仰角或者左右侧翻使病人获得舒适的姿势.

3.2 功能实现

简单的动作,如单独的靠背板起降,通过电机带动传动杆从而增加或减少仰角来实现；比较复杂的功能,如脚蹬状态下,病人可以自己用脚来改变自己身体的位置,并配合靠背板的升降以达到舒适的目的；再复杂一些的功能如大小便问题的解决,则需要脚蹬版装置,靠背板的升降、洁便门的开合,身体冲洗器位置的调整、冲洗马桶及抽风装置合理密切的配合,并按照功能的实现逐步进行.按动控制手柄“背升”按钮即可使病床背板升起,使病人由平卧位改成半卧位.控制手柄“背降”按钮可使病人由半卧位恢复到平卧位.按动控制手柄“蜷腿”按钮,即接通了蜷腿伸腿装置的动力系统,使下屈曲实现蜷腿功能,按动“伸腿”按钮即可恢复原位使下肢伸直.

4.传感器单元

传感器是感受规定的被测量,并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件,主要由敏感元件、数模转换器、微控制器和通讯接口模块组成.敏感元件是指传感器中可以直接感受被测量的部分；数模转换器将传感器中敏感元件感受的被测量转换成适于传感和测量的电信号；微控制器可以读取被测量的电信号并进行简单处理；通讯接口模块负责将传感器单元的产生信息传输给外部控制单元.

4.1 传感器单元选择

温度是一个模拟量,我们选用的传感器利用温度来完成测量控制的功能.敏感元件利用热敏电阻实现,热敏电阻传感器的基准电压通常和加载热敏电阻-电阻分压器顶端的电压相同.通过在传感器内部设置一个微控制器来读取温度值,再利用数模转换器来将热敏电阻或者模拟温度传感器的输出转换为数字,再由微控制器进行读取.

4.2 传感器单元设计

传感器单元除包含敏感元件外,最重要的是微处理器和通讯接口模块.微处理器对传感器的电信号进行预处理,计算分析,存储并承担于外界通信等任务,传感器测量的是自身管芯的温度,并且管芯温度接近于引线温度,传感器需安放在与被监视元件有良好热耦合的位置,作为检测触点.将传感器和比较器组合,结合了传感器、比较器、电压基准和必要的电阻.将传感器-比较器组合电路替换为温度开关,对传感器单元进行了简化.当病人有大小便排出时,通过产生的1位数字输出能够警告温度变化超出了预先设定的门限值,此时漏极开路输出变低,产生逻辑高输出.在温度高于或低于设定门限时输出变高,触点接通,再由通讯接口模块将数据信息传输到控制单元.传感器具体结构如图2所示.

5.控制单元

控制单元是智能清洁护理床模型的核心部分,一方面接收传感器的输出信息,另一方面驱动电机执行模块准确完成相应动作,即使在程序复位等非正常状态下也能保证电机本身、护理床和病人的安全.

控制单元用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）实现,具有成品速度快、可通过修改来改正程序中的错误、平均逻辑单元成本低、功耗低等优点.实现采用的FPGA结构包括784个管脚,64MB的flash memory,8MB的SRAM和531个用户I/O口. 5.1 硬件设计

使用QuantusII作为硬件设计工具.首先建立工程,QuantusII以工程为单元对设计过程进行管理.建立顶层图,将所需的模块包容在里面,使用硬件设计语言对功能模块进行设计,生成模块符号,并在顶层图中使用这个模块的符号,再将源文件拷贝到顶层图所在的工程目录下.将顶层图的各个功能模块相连,接着选择芯片载体,在物理上实现系统的功能.此后需要进行编译,实现硬件里的物理结构,最后将编译生成的pof文件下载到FPGA的配置芯片上.

5.2 软件设计

使用NIOS II集成开发环境（IDE）对软件进行开发.软件设计采用优先调度型的监控软件,主要由初始化程序,主程序和中断处理程序组成.初始化程序运行完毕后,主程序会定时对传感器输出的病人生理信息进行接收判断.在半自动模式下加指示灯、蜂鸣器报警,通知医护人员按键清理；在自动模式下启动中断处理程序,生成控制指令,通过总线将控制命令传输给电机执行单元.

半自动模式实现较为简单,可以满足各种需求,但需要借助于控制手柄实现,控制方式比较复杂,得知病人需排便的信息后,通过蜂鸣器、指示灯报警通知医护人员使用控制手柄进行操作,此时各种操作容易混合在一起,难以实现功能互锁.自动控制模式完全由控制单元来实现各种功能,通过由微处理器发出动作执行指令,按照人体的习惯、体位的变换和各项执行单元功能实现的要求来控制电机执行单元的动作,从而完成各项功能,这样病人和医护人员可以最大程度地从繁琐操作中解脱出来,通过设置自动清理延时控制,实现对病人排泄物的快速清理.

病人在护理中会有不同的要求,而自动控制模式控制方式相对固定,不能满足固定模式以外变化的需求,一旦在自动控制过程中发生不必要的动作,病人将无法改变执行过程.在不影响病人各项功能实现单一动作时,均采用自动控制,在微处理器出现故障时自动切换到半自动模式,双模式设计可以消除各种潜在的人为误操作或者微控制器的故障隐患,提高系统可靠性,软件流程如图3所示.

6.电机执行单元

电机执行单元利用继电器实现对电磁阀的控制,在输入端串接一个发光二极管,以指示该继电器的吸合和断开,在线圈周围并联一个续流二极管,以消除继电器触点断开时产生的反电动势干扰.采用2个继电器控制一个单元的正反运动,每个继电器设有两个常开点、两个常闭点.执行单元内置有位置传感器的直流电机,涡轮蜗杆减速器、梯形丝杠、连杆结构实现.根据控制信号,由电机输出一定的扭矩和转速,经过减速器驱动连杆结构,通过此结构带动床面相应的部分运动,从而实现对各种位姿的要求.

7.结束语

本文将传感器技术、微控制器技术和清洁护理床技术相结合,提出了一种新的双模式智能清洁护理床模型.通过在排便吸座内安装测温传感器,对病人生理信息进行采集并反馈给控制单元,控制单元根据测温传感器的反馈数据,判断病人状态并提供大小便自动清理功能.双模式设计使清洁护理床具有监测、控制和自动执行的功能,使得清洁护理床操作更加灵活,大大减少了对病人大小便清理的人工干预,提高了清洁护理床的智能型和可靠性.