李迪 陳香敏 陳耀宗 李園

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款面向臥床康復(fù)患者的智能監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提高康復(fù)患者的安全性和監(jiān)測水平。臥床患者因行動(dòng)不便，對康復(fù)環(huán)境的要求較高。因此，該系統(tǒng)通過整合單片機(jī)控制技術(shù)和傳感器技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測患者所處環(huán)境的溫度、濕度和空氣質(zhì)量，以促進(jìn)患者的康復(fù)進(jìn)程。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠迅速檢測床體跌落事件，有效降低意外事故風(fēng)險(xiǎn)。該設(shè)計(jì)可集成于智能護(hù)理床或普通康復(fù)床中，提升康復(fù)過程的智能化水平，減少人工檢測的時(shí)間成本。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測系統(tǒng)；臥床康復(fù)患者；單片機(jī)；傳感器技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1009-3044（2024）10-0113-03

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展以及世界范圍內(nèi)人口老齡化進(jìn)程的不斷加快，康復(fù)治療的重要性日益凸顯?；颊叱３Ｃ媾R日常生活中的各種挑戰(zhàn)，其中包括床體跌落的風(fēng)險(xiǎn)以及健康狀況的監(jiān)測需求。因此，設(shè)計(jì)一種面向臥床康復(fù)患者的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)顯得尤為重要，它能夠?yàn)榭祻?fù)患者提供更加安全可靠的生活環(huán)境和護(hù)理支持。目前，對患者的監(jiān)測系統(tǒng)大多以監(jiān)測生命體征為主，而針對患者所處環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用相對較少[1-2]。同時(shí)，對床體跌落檢測系統(tǒng)的研究也尚處于初級階段?，F(xiàn)有的患者檢測系統(tǒng)存在功能單一、智能化程度較低等問題[3]。

本文介紹了一種面向臥床康復(fù)患者的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的組成部分、工作原理等進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)整合了單片機(jī)控制和傳感器技術(shù)，旨在為患者提供高效、安全的康復(fù)治療。系統(tǒng)通過監(jiān)測患者所處環(huán)境的參數(shù)，如溫度、濕度和空氣質(zhì)量，確保康復(fù)環(huán)境符合醫(yī)學(xué)要求，并為滿足患者的個(gè)性化需求提供支持。此外，該系統(tǒng)還具備床體跌落檢測功能，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)患者從床體跌落的情況，提供緊急援助，從而減少潛在的傷害風(fēng)險(xiǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用將有助于降低醫(yī)護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供更全面的患者護(hù)理，并為制定患者的康復(fù)計(jì)劃提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持[4]。通過本研究，我們希望能夠推動(dòng)相關(guān)技術(shù)在醫(yī)療保健領(lǐng)域的應(yīng)用，為康復(fù)患者提供更好的支持與保障，讓更多人受益于現(xiàn)代科技的進(jìn)步[5]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

臥床康復(fù)患者行動(dòng)不便，同時(shí)對康復(fù)環(huán)境有一定要求。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可安裝在康復(fù)床上，作為輔助監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測臥床康復(fù)的環(huán)境以及患者是否從床體跌落，以促進(jìn)患者盡快康復(fù)[6]。對于溫度的監(jiān)測，適宜的溫度有助于患者的舒適感及體溫調(diào)節(jié)，過高或過低的溫度都可能引發(fā)不適和健康問題，尤其是康復(fù)患者，他們往往對溫度變化更為敏感。對于濕度的監(jiān)測，適當(dāng)?shù)臐穸人接兄诒３趾粑罎駶櫍瑴p輕呼吸不適，這對呼吸系統(tǒng)康復(fù)患者尤為重要。對于空氣質(zhì)量的監(jiān)測，良好的空氣質(zhì)量對康復(fù)患者的康復(fù)至關(guān)重要，高濃度的細(xì)顆粒物和有害氣體可能加劇患者的癥狀。同時(shí)，對床體跌落的監(jiān)測能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)患者從床體跌落的情況，以便及時(shí)救治，避免患者受到二次傷害?；谶@些需求，對本系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，文章設(shè)計(jì)了一款針對康復(fù)環(huán)境及床體跌落的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由六大模塊組成，包括控制模塊、監(jiān)測模塊、顯示模塊、Wi-Fi通訊模塊、輸出模塊以及按鍵輸入模塊。控制模塊選用STC12 系列的單片機(jī)作為核心控制器，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和程序控制；監(jiān)測模塊則集成了溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器和壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測康復(fù)環(huán)境；顯示模塊采用OLED顯示屏，實(shí)時(shí)展示所監(jiān)測的康復(fù)環(huán)境參數(shù)以及參數(shù)設(shè)置；Wi-Fi通訊模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能，使系統(tǒng)能夠聯(lián)網(wǎng)，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)及床體跌落情況；輸出模塊負(fù)責(zé)報(bào)警輸出，當(dāng)控制器發(fā)出報(bào)警信號時(shí)，該模塊將發(fā)出警報(bào)聲并點(diǎn)亮報(bào)警指示燈；按鍵輸入模塊則用于設(shè)置各康復(fù)環(huán)境參數(shù)的報(bào)警范圍等。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)所采用的單片機(jī)型號為STC12C5A60S2，STC系列單片機(jī)具有保密性能好、抗干擾能力強(qiáng)、防外部電磁輻射功能等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)工作所需的最少元件組成的系統(tǒng)被稱為最小系統(tǒng)。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感器用于實(shí)時(shí)測量患者的康復(fù)環(huán)境濕度。適宜的濕度有助于維護(hù)呼吸系統(tǒng)健康、避免脫水以及減輕炎癥等。本設(shè)計(jì)選用的傳感器型號是DHT11，它是一款溫濕度復(fù)合傳感器，并具備已校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出功能。將傳感器模塊置于所需監(jiān)測的環(huán)境中，通過電阻式感濕元件可以測量環(huán)境中的濕度。傳感器模塊的引腳定義如表1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器用于實(shí)時(shí)測量患者的康復(fù)環(huán)境溫度。適宜的溫度有助于促進(jìn)傷口愈合、提高患者的舒適性和康復(fù)效果。本設(shè)計(jì)選用的傳感器型號為DS18B20，該傳感器是數(shù)字式單總線溫度傳感器，具有線路簡單、體積小的特點(diǎn)。DS18B20引腳的功能如表3所示，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

2.4 空氣質(zhì)量傳感器

通過監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量，可以幫助康復(fù)患者避免暴露于有害氣體、顆粒物和其他空氣污染物質(zhì)，從而減少癥狀加重的風(fēng)險(xiǎn)。保持室內(nèi)空氣質(zhì)量良好對于改善呼吸道健康、促進(jìn)更快的康復(fù)過程至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)選用的是MQ-135空氣質(zhì)量傳感器，MQ-135空氣質(zhì)量傳感器通常具有高精度和穩(wěn)定性，能夠提供實(shí)時(shí)的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，它能夠測量空氣中的各種污染物，如揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs） 和二氧化碳（CO2） 等。

2.5 壓力傳感器

壓力傳感器用于監(jiān)測患者在床上的情況，以判斷患者是否發(fā)生床體跌落。將壓力傳感器置于患者所使用的床墊中，當(dāng)患者躺在床墊上時(shí)，壓力傳感器會(huì)輸出一個(gè)壓力信號給控制器（單片機(jī)）。當(dāng)床體跌落監(jiān)測功能開啟后，控制器會(huì)根據(jù)讀取到的壓力傳感器信號判斷是否發(fā)生床體跌落。若有壓力信號，則說明患者躺在床墊上，未發(fā)生床體跌落；若無壓力信號，則說明患者不在床上，此時(shí)判定為發(fā)生床體跌落，并發(fā)出警報(bào)。考慮到患者上下床時(shí)可能引發(fā)的誤判情況，因此在患者下床時(shí)，應(yīng)關(guān)閉床體跌落監(jiān)測功能，以避免誤報(bào)。壓力傳感器選用電阻式薄膜壓力傳感器，其工作原理基于電阻值與壓力的關(guān)系。當(dāng)受到外部壓力時(shí)，薄膜發(fā)生形變，導(dǎo)致電阻值變化，從而實(shí)現(xiàn)壓力測量。該類型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

2.6 顯示模塊

為了能夠?qū)崟r(shí)觀察患者所處環(huán)境情況，該系統(tǒng)加入了顯示模塊，該模塊采用了OLED128×64顯示屏。這款顯示屏能夠同時(shí)顯示128×64（即128列64行）個(gè)字符。在設(shè)計(jì)時(shí)，溫度、濕度、煙霧濃度、壓力值分別用“溫度”“濕度”“煙霧”“壓力”來表示；溫度單位為“℃”、濕度單位為“RH%”、煙霧濃度單位為“%”、壓力單位為“N”。顯示屏能夠顯示康復(fù)環(huán)境的溫濕度、空氣質(zhì)量、壓力值等參數(shù)，并允許用戶設(shè)置并顯示這些參數(shù)的報(bào)警范圍。OLED顯示屏具有響應(yīng)時(shí)間快、視角廣、對比度高、靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電子設(shè)備和可穿戴技術(shù)等領(lǐng)域，為用戶提供了更高質(zhì)量的圖像和視覺體驗(yàn)。

2.7 按鍵輸入電路

按鍵輸入電路用于控制床體跌落監(jiān)測功能的開啟與關(guān)閉以及切換顯示屏顯示畫面和修改設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。通過自鎖按鈕控制是否啟動(dòng)床體跌落監(jiān)測功能，選用兩個(gè)按鈕進(jìn)行OLED顯示畫面的切換，另外兩個(gè)按鈕用于調(diào)節(jié)所監(jiān)測的康復(fù)環(huán)境報(bào)警數(shù)值大小，再選取兩個(gè)按鈕調(diào)節(jié)參數(shù)的位數(shù)。在按鍵輸入電路中加入了上拉電阻，確保信號線在沒有外部輸入時(shí)保持高電平，從而提高穩(wěn)定性。上拉電阻具有避免端口懸空、穩(wěn)定信號、節(jié)省功耗、防止電流回路等優(yōu)點(diǎn)。

2.8 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路主要由報(bào)警指示燈、有源蜂鳴器以及繼電器等組成。在指示燈回路中加入了4.7 KΩ的電阻，以防止回路中電流過大或指示燈電壓過高導(dǎo)致?lián)p壞。在繼電器回路中，并聯(lián)了一個(gè)二極管，其主要作用是防止感應(yīng)電動(dòng)勢。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，線圈中的電流突然減小，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這可能導(dǎo)致火花或電弧，從而損壞繼電器的開關(guān)部分。通過并聯(lián)二極管，可以確保繼電器的長壽命和可靠性。繼電器的作用是在電路中實(shí)現(xiàn)電信號對大電流或高電壓開關(guān)操作的控制。由于單片機(jī)給出的信號無法滿足指示燈的工作電壓，因此通過單片機(jī)信號控制繼電器，進(jìn)而控制指示燈的啟動(dòng)與停止。

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的臥床康復(fù)患者的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測系統(tǒng)的程序使用C語言進(jìn)行編寫，并在Keil編譯器中進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)及各個(gè)模塊將進(jìn)行初始化。初始化完成后，需對各個(gè)監(jiān)測參數(shù)的報(bào)警范圍進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后，溫度傳感器、濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器將開始采集康復(fù)環(huán)境中的溫度、濕度、煙霧濃度等數(shù)據(jù)，壓力傳感器對床墊壓力進(jìn)行采集。單片機(jī)將對這些接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并判斷其是否在所設(shè)置的范圍內(nèi)。若數(shù)據(jù)超出或低于所設(shè)定參數(shù)的范圍，則報(bào)警指示燈將亮起，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)聲；若數(shù)據(jù)在該范圍內(nèi)，則報(bào)警指示燈和蜂鳴器均不啟動(dòng)。采集到的溫度、濕度、煙霧濃度、壓力值將實(shí)時(shí)顯示在OLED12864顯示屏上，并通過Wi-Fi通訊模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

通過對康復(fù)環(huán)境及床體跌落情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并做出處理，確?？祻?fù)患者處于一個(gè)舒適的康復(fù)環(huán)境中。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程如圖1所示。

4 結(jié)束語

面向臥床康復(fù)患者的智能監(jiān)測系統(tǒng)代表了醫(yī)療和健康護(hù)理領(lǐng)域的重要技術(shù)進(jìn)步，此系統(tǒng)的實(shí)施旨在提供更安全和有效的康復(fù)環(huán)境。本文設(shè)計(jì)的智能監(jiān)測系統(tǒng)可安裝于市面的普通病床或智能康復(fù)床，可將本系統(tǒng)的跌落檢測模塊安裝于床墊，環(huán)境監(jiān)測模塊安裝于床體?？祻?fù)環(huán)境和床體跌落監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合傳感器技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測患者所處環(huán)境的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等參數(shù)以及迅速檢測床體跌落事件，可以減少患者意外事故的風(fēng)險(xiǎn)，提供個(gè)性化的護(hù)理，輔助患者康復(fù)。此外，這一技術(shù)對醫(yī)護(hù)人員的工作提供了有力支持，通過提供數(shù)據(jù)來輔助制定治療和康復(fù)計(jì)劃。

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