挑戰(zhàn)杯作品論文

1、 “挑戰(zhàn)杯”曲阜師范大學(xué)第十一屆課外學(xué)術(shù)科技作品競賽 摘 要 隨著社會老齡化程度的加深和意外事故的頻發(fā)，失去生活自理能力而長期癱瘓在床的人數(shù)不斷增加。目前，我國存在著護理費用高昂、護理技術(shù)落后、專業(yè)護理人員短缺等一系列的問題，僅靠社會保障和福利機制不能完全滿足這一弱勢群體的需求?；诖?，我們從對市場現(xiàn)有護理機進行創(chuàng)新的角度出發(fā)，把“醫(yī)院護理”和“家庭護理”作為兩大方向，創(chuàng)新性的將“GSM技術(shù)”和 “ZigBee無線自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”分別應(yīng)用于市場現(xiàn)有護理機，開發(fā)設(shè)計了基于GSM和ZigBee的臥床病人護理機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)?！凹彝プo理機”以PIC單片機為主控制器，利用GSM模塊 TC35i，使護理機

2、與監(jiān)護人之間以“手機短信”的形式進行信息傳輸?！搬t(yī)院護理機”以PIC單片機為主控制器，利用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)多臺護理機無線自組網(wǎng)功能，并利用C+build6編寫了上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件，建立病房與護士站之間的遠程聯(lián)系，實現(xiàn)了對病人的實時監(jiān)控與無人護理。 基于GSM和ZigBee的臥床病人護理機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提高了護理過程的智能化、人性化，創(chuàng)新性的實現(xiàn)了“無人護理”功能，達到了幫助家庭、醫(yī)院降低護理成本的目的，在一定程度上緩解了老齡化所帶來的社會壓力并且給予臥床病人更加人性化的關(guān)懷。該作品市場前景非常廣闊，一旦產(chǎn)品化，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 關(guān)鍵詞：PIC 單片機；GSM

3、；ZigBee；遠程監(jiān)控；C+build6Abstract Along with the deepening of the aging process in human society and high frequency of accidents, the number of people who have been confined to bed for long after loss of self-care ability is increasing steadily. At present, our country is faced with a series of problems

4、 in nursing care, such as high costs, backward nursing technology and professional nursing staff shortages. Its not enough to rely only on social security and welfare mechanism to completely meet the needs of these disadvantaged people. In this view, from the point of innovating existing nursing mac

5、hines in the market, we innovatively used GSM technology and ZigBee wireless ad hoc network technology respectively in the nursing machines existing in the market, with hospital care and home care as two major directions, and developed and designed a remote monitoring system for bedridden patients c

6、are machines based on GSM and ZigBee. With a PIC MCU as its main controller, a home care machine uses he35i of GSM module to realize information transmission between the nursing machine and the guardian via mobile phone short messages. A hospital care machine uses a PIC MCU as its main controller to

7、 implement the function of wireless ad hoc network for numbers of care machines by using ZigBee wireless ad hoc network technology. Softwares are also written for the upper computer remote HYPERLINK app:ds:monitoring t monitoring HYPERLINK app:ds:system t system, by using C+build6, to establish remo

8、te connection between wards and the nursing station and realize real-time monitoring and unmanned nursing care for patients. The HYPERLINK app:ds:remote t remote HYPERLINK app:ds:monitoring t monitoring HYPERLINK app:ds:system t system for bedridden patient care machines based on GSM and ZigBee impr

9、oves the intelligent and human nursing process, implements innovatively the function of “unmanned care”, achieving the purpose of helping bring down family and hospital nursing cost, and, to some extent, alleviates the social pressure brought about by an aging population while giving bedridden patie

10、nts more humane care. This work has very broad market prospects.; once made into products, it will bring enormous economic and social benefits.Key words: PIC; GSM; ZigBee; remote monitoring; C+build6目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc353817164 摘 要 PAGEREF _Toc353817164 h 1 HYPERLINK l _Toc353817165 目

11、錄 PAGEREF _Toc353817165 h 3 HYPERLINK l _Toc353817166 1.引言 PAGEREF _Toc353817166 h 4 HYPERLINK l _Toc353817167 2.調(diào)研 PAGEREF _Toc353817167 h 5 HYPERLINK l _Toc353817168 2.1調(diào)研思路 PAGEREF _Toc353817168 h 5 HYPERLINK l _Toc353817169 2.2 調(diào)研進程 PAGEREF _Toc353817169 h 6 HYPERLINK l _Toc353817170 2.3調(diào)研總結(jié)及市場分

12、析 PAGEREF _Toc353817170 h 6 HYPERLINK l _Toc353817171 2.3.1臥床病人數(shù)量多與護理人員數(shù)量少的矛盾 PAGEREF _Toc353817171 h 7 HYPERLINK l _Toc353817172 2.3.2現(xiàn)有護理設(shè)備仍需改進 PAGEREF _Toc353817172 h 8 HYPERLINK l _Toc353817173 2.4 市場需求及前景 PAGEREF _Toc353817173 h 9 HYPERLINK l _Toc353817174 3.項目技術(shù)路線 PAGEREF _Toc353817174 h 10 HY

13、PERLINK l _Toc353817175 3.1基于“GSM技術(shù)”實現(xiàn)“家庭式無人護理”功能 PAGEREF _Toc353817175 h 11 HYPERLINK l _Toc353817176 3.2 基于“ZigBee技術(shù)”實現(xiàn)對多臺護理機遠程監(jiān)控功能 PAGEREF _Toc353817176 h 12 HYPERLINK l _Toc353817177 3.3 管理軟件總體功能與設(shè)計思路 PAGEREF _Toc353817177 h 15 HYPERLINK l _Toc353817178 4. 利用“GSM技術(shù)”實現(xiàn)家用式護理機的遠程監(jiān)控 PAGEREF _Toc3538

14、17178 h 16 HYPERLINK l _Toc353817179 4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc353817179 h 17 HYPERLINK l _Toc353817180 4.1.1單片機芯片選擇 PAGEREF _Toc353817180 h 17 HYPERLINK l _Toc353817181 4.1.2傳感器變送器接口設(shè)計 PAGEREF _Toc353817181 h 17 HYPERLINK l _Toc353817182 4.1.3語音接口電路設(shè)計 PAGEREF _Toc353817182 h 18 HYPERLINK l _Toc35381718

15、3 4.1.4液晶和鍵盤接口電路設(shè)計 PAGEREF _Toc353817183 h 19 HYPERLINK l _Toc353817184 4.2.5 GSM通信模塊電路接口設(shè)計 PAGEREF _Toc353817184 h 19 HYPERLINK l _Toc353817185 4.2 GSM短信息處理程序設(shè)計8 PAGEREF _Toc353817185 h 21 HYPERLINK l _Toc353817186 5.利用“ZigBee無線組網(wǎng)”功能實現(xiàn)護理機的遠程監(jiān)控 PAGEREF _Toc353817186 h 23 HYPERLINK l _Toc353817187 5.

16、1 ZigBee 自組織網(wǎng)絡(luò)原理9，10 PAGEREF _Toc353817187 h 23 HYPERLINK l _Toc353817188 5.2 護理機網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 PAGEREF _Toc353817188 h 24 HYPERLINK l _Toc353817189 5.3 無線組網(wǎng)通信流程 PAGEREF _Toc353817189 h 26 HYPERLINK l _Toc353817190 5.3.1上位監(jiān)控PC機與下位護理機的無線組網(wǎng)通信流程 PAGEREF _Toc353817190 h 26 HYPERLINK l _Toc353817191 5.3.2 ZigBee

17、終端與護理機的通信流程 PAGEREF _Toc353817191 h 26 HYPERLINK l _Toc353817192 5.3.3協(xié)調(diào)器與管理中心計算機的通信流程 PAGEREF _Toc353817192 h 27 HYPERLINK l _Toc353817193 5.4 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc353817193 h 29 HYPERLINK l _Toc353817194 5.4.1注冊護理機的“樹狀目錄顯示” PAGEREF _Toc353817194 h 31 HYPERLINK l _Toc353817195 5.4.2 護理機監(jiān)測參數(shù)的顯示 PAG

18、EREF _Toc353817195 h 32 HYPERLINK l _Toc353817196 5.4.3當前登錄用戶代號、日期、時間顯示 PAGEREF _Toc353817196 h 33 HYPERLINK l _Toc353817197 5.4.4設(shè)備連接狀態(tài)顯示 PAGEREF _Toc353817197 h 33 HYPERLINK l _Toc353817198 5.4.5護理機“注冊”、“注銷”模塊14,15 PAGEREF _Toc353817198 h 34 HYPERLINK l _Toc353817199 5.4.6用戶管理模塊 PAGEREF _Toc353817

19、199 h 35 HYPERLINK l _Toc353817200 5.4.7數(shù)據(jù)報表查詢打印功能 PAGEREF _Toc353817200 h 36 HYPERLINK l _Toc353817201 6.關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點 PAGEREF _Toc353817201 h 37 HYPERLINK l _Toc353817202 6.1技術(shù)關(guān)鍵 PAGEREF _Toc353817202 h 37 HYPERLINK l _Toc353817203 6.1.1科學(xué)性 PAGEREF _Toc353817203 h 37 HYPERLINK l _Toc353817204 6.1.2先進性

20、PAGEREF _Toc353817204 h 38 HYPERLINK l _Toc353817205 6.1.3安全可靠性 PAGEREF _Toc353817205 h 39 HYPERLINK l _Toc353817206 6.2創(chuàng)新點 PAGEREF _Toc353817206 h 39 HYPERLINK l _Toc353817207 7.項目研究成果 PAGEREF _Toc353817207 h 40 HYPERLINK l _Toc353817208 7.1需求分析 PAGEREF _Toc353817208 h 40 HYPERLINK l _Toc353817209

21、7.1.1 當今現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc353817209 h 40 HYPERLINK l _Toc353817210 7.1.2 解決目標及方案 PAGEREF _Toc353817210 h 40 HYPERLINK l _Toc353817211 7.1.3 系統(tǒng)綜合要求 PAGEREF _Toc353817211 h 41 HYPERLINK l _Toc353817212 7.2 研究開發(fā)的軟件系統(tǒng) PAGEREF _Toc353817212 h 41 HYPERLINK l _Toc353817213 8.新產(chǎn)品經(jīng)濟、社會效益 PAGEREF _Toc353817213 h

22、 42 HYPERLINK l _Toc353817214 8.1經(jīng)濟效益 PAGEREF _Toc353817214 h 42 HYPERLINK l _Toc353817215 8.2社會效益 PAGEREF _Toc353817215 h 45 HYPERLINK l _Toc353817216 8.3 推廣價值 PAGEREF _Toc353817216 h 46 HYPERLINK l _Toc353817217 9.新展望 PAGEREF _Toc353817217 h 47 HYPERLINK l _Toc353817218 9.1 開發(fā)自動側(cè)翻身功能 PAGEREF _Toc3

23、53817218 h 48 HYPERLINK l _Toc353817219 9.2增加娛樂功能 PAGEREF _Toc353817219 h 48 HYPERLINK l _Toc353817220 9.3開發(fā)按摩功能 PAGEREF _Toc353817220 h 49 HYPERLINK l _Toc353817221 9.4增加日常醫(yī)療檢測功能 PAGEREF _Toc353817221 h 49 HYPERLINK l _Toc353817222 9.4.1體溫智能檢測 PAGEREF _Toc353817222 h 49 HYPERLINK l _Toc353817223 9.

24、4.2脈搏自動測量 PAGEREF _Toc353817223 h 49 HYPERLINK l _Toc353817224 9.4.3 動態(tài)血壓測量 PAGEREF _Toc353817224 h 50 HYPERLINK l _Toc353817225 10.總結(jié) PAGEREF _Toc353817225 h 50 HYPERLINK l _Toc353817226 11.參考文獻(References) PAGEREF _Toc353817226 h 53 HYPERLINK l _Toc353817227 12.附 錄 PAGEREF _Toc353817227 h 55 HYPER

25、LINK l _Toc353817228 12.1GSM模塊TC35i接線原理 PAGEREF _Toc353817228 h 55 HYPERLINK l _Toc353817229 12.2注冊護理機的樹狀顯示實現(xiàn)流程圖 PAGEREF _Toc353817229 h 56 HYPERLINK l _Toc353817230 12.3護理機信息顯示實現(xiàn)流程圖 PAGEREF _Toc353817230 h 57 HYPERLINK l _Toc353817231 12.4初始化及設(shè)置串口的API函數(shù) PAGEREF _Toc353817231 h 58 HYPERLINK l _Toc35

26、3817232 12.5調(diào)查問卷 PAGEREF _Toc353817232 h 591.引言當今社會中存在著大量失去生活自理能力而長期臥床的弱勢人員，一方面該群體數(shù)量龐大，分布極為分散，專業(yè)護理人員卻十分緊缺;另一方面，國內(nèi)專業(yè)護理機構(gòu)數(shù)量較少，護理機質(zhì)量良莠不齊，費用相對高昂，這些原因都在一定程度上限制了護理機在家庭以及醫(yī)院、療養(yǎng)院和養(yǎng)老院等場所的推廣使用。目前，衛(wèi)生清潔裝置大多集中于美國，英國，日本等國外發(fā)達國家，而且大多數(shù)停留在試驗階段，僅有極少數(shù)裝置實現(xiàn)了協(xié)助病人起床，監(jiān)護病人狀況等低級智能護理的應(yīng)用。而我國國內(nèi)更是只局限于以人工為主導(dǎo)的部分衛(wèi)生的清潔，僅在病人大小便清潔護理方面達到

27、了自動識別與回收，溫水清洗與自動烘干等智能功能。但仍尚無不需護理人員在場的自動化程度較高的綜合衛(wèi)生智能清潔裝置的真正研發(fā)，病人及病人家屬的迫切需要未得到充分的滿足。通過調(diào)研與學(xué)習(xí)，結(jié)合現(xiàn)有的護理機功能系統(tǒng)，我們創(chuàng)新性的提出并實現(xiàn)了以“GSM技術(shù)”和“ZigBee技術(shù)”為核心的護理機遠程監(jiān)控的設(shè)計理念，通過使用GSM模塊和無線組網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)造性的實現(xiàn)了護理人員不需全程服務(wù)而是遠程監(jiān)控的功能，并加強了病人與護理人員的即時溝通，從而節(jié)省了大量的人力與物力而且保障了病人的安全。這一設(shè)想的實現(xiàn)將帶來極大的社會與經(jīng)濟效益，解放勞動力，增強經(jīng)濟的發(fā)展。下面是我們對護理機遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的具體實現(xiàn)方式。2.調(diào)研

28、2.1調(diào)研思路在調(diào)研過程中，我們注重以方法的有效性以及調(diào)研的合理性為指導(dǎo)進行實地調(diào)查，為了得到可靠的資料，我們決定采取問卷調(diào)查與面對面訪談相結(jié)合的形式。共發(fā)放調(diào)查問卷800份（回收767份），有針對性地與臥床病人、護理人員進行了深入的交流，以更好地了解護理方面的各種問題。通過對調(diào)研的分析并結(jié)合專業(yè)知識，我們對市面上的護理機系統(tǒng)進行了優(yōu)化，創(chuàng)新性地設(shè)計并實現(xiàn)了護理機的遠程監(jiān)控與報警功能，解決了諸多問題。2.2 調(diào)研進程 在進行調(diào)研前夕，我們做出了完善的系統(tǒng)計劃，以保證整個調(diào)研過程的順利進行，具體如圖1所示。圖1 調(diào)研思路流程圖2.3調(diào)研總結(jié)及市場分析 我們通過市場調(diào)研，對信息數(shù)據(jù)進行匯總并剖析，

29、更深一層地了解到了當前護理機使用的社會背景、護理機的市場情況及其發(fā)展前景，得出以下幾個方面。 圖2 實地調(diào)研訪談 2.3.1臥床病人數(shù)量多與護理人員數(shù)量少的矛盾老齡化社會程度加劇 自1999年步入 HYPERLINK /topic/news/laolinghua/index.shtml t _blank 人口 HYPERLINK /topic/news/laolinghua/index.shtml t _blank 老齡化社會以來，我國日益呈現(xiàn)老年人口基數(shù)大、增長快，高齡化、空巢化等明顯特征，需要照料的失能、半失能老人比例呈高發(fā)態(tài)勢。僅截至2009年底中國1.67億老年人中，80周歲及以上的高

30、齡老人有1899萬。中國目前有失能老人有1036萬、半失能老人有2123萬，他們不同程度地需要提供護理照料服務(wù)1。表1 1999年后60歲以上老年人口占全國人口比例（注：數(shù)據(jù)來自中國人口普查網(wǎng)）1999年10.01 %2002年10.57 %2005年11.55 %2008年12.25 %2000年10.09 %2003年10.87 %2006年12.19 %2009年12.86 %2001年10.48 %2004年10.97 %2007年12.77 %2010年13.10 %此外，2010年以后，老齡化進程不斷加快，每10年依次可能將提高3.5、4.2和5.9個百分點，2050年，我國65歲

31、及以上老年人口比重可能將達到23.3。屆時，我國老年人護理工作將面臨更嚴峻的考驗2。2）各類殘疾以及癱瘓的人數(shù)不斷上升 我國因各種原因?qū)е職埣采踔涟c瘓的人數(shù)日益增多，他們的日常生活護理問題也越來越引起社會的廣泛關(guān)注，其中多數(shù)人無生活自理能力，需要專業(yè)人員的護理。但是其親屬一般不具備專業(yè)的護理知識，而專業(yè)護理人員數(shù)量較少且雇傭成本較高，這對普通家庭來說無疑是一個沉重的負擔(dān)。 3）醫(yī)院專業(yè)護理人員嚴重缺乏我國護理行業(yè)發(fā)展緩慢，專業(yè)護理人員嚴重缺乏。據(jù)了解，目前日照市有注冊醫(yī)生760多人，注冊護士280多人，平均每千人口注冊護士數(shù)為1.24人，醫(yī)生與護士之間的比例僅為10.3，存在 1300多名護士

32、的缺口。按照國家衛(wèi)生部的標準，醫(yī)院護士數(shù)應(yīng)達到床位與全院護士比平均為1：0.6，床位與病房護士比平均為10.2，監(jiān)護室床位與護士比平均為12.5的標準，但全國鮮有符合該指標的醫(yī)院3。4）家庭護理負擔(dān)過重由于社會福利體系與家庭護理體系的缺陷，“老病殘”人群的護理問題給家庭帶來較重的負擔(dān)，再加上傳統(tǒng)贍養(yǎng)模式的影響，經(jīng)濟條件的限制以及固有的地緣、親緣情結(jié)等因素，病人大多不愿進入專門的護理機構(gòu)。目前為止，我國多數(shù)“老病殘”人群一般由家屬照顧，無論從病人自身還是從監(jiān)護者方面來說，都急需來自專業(yè)醫(yī)療器械等方面的支持和幫助，以緩解他們的壓力。2.3.2現(xiàn)有護理設(shè)備仍需改進針對目前市面上護理機所存在的問題，我

33、們對日照市人民醫(yī)院和山東省日照市旭日清潔器械有限公司進行了實地考察與訪問，以下是我們的調(diào)查內(nèi)容與總結(jié)。在日照市人民醫(yī)院，我們發(fā)現(xiàn)市場上的專業(yè)護理機在該院中的普及率并不高。具體原因主要有以下幾點：首先，家屬及病人對護理機的功能充滿了懷疑；其次，目前我國醫(yī)療糾紛愈演愈烈，醫(yī)院也不敢輕易嘗試新的護理方式；最后，護理機本身也存在著不足，比如醫(yī)院在使用的過程中，必須有人按時檢查護理機的運行狀況，無法真正實現(xiàn)遠程監(jiān)控的功能，也無法遠距離對護理機進行操作。針對考察中發(fā)現(xiàn)的問題，然后我們對生產(chǎn)護理機的企業(yè)進行了考察。其中以山東旭日清潔有限公司為例。在訪談中我們了解到該公司最初的市場定位是老、弱、病、殘人群。但

34、由于開發(fā)技術(shù)不成熟，導(dǎo)致護理機成本較高，一般家庭并無能力購買。而且由于護理機功能的不完善，護理機的大規(guī)模推廣使還存在很大的難度。 圖3 產(chǎn)品展示2.4 市場需求及前景目前全球共有老年人口7.6億，而我國65歲以上的老人已達到1.5億，占總?cè)丝诘?0%，這說明我國已進入社會老齡化時代，老年人、殘疾人、重癥病人的護理問題日益凸顯，很多家庭沒有時間也沒有能力雇傭?qū)I(yè)的護理人員。社會迫切需要一種高效率、高質(zhì)量的智能無人護理機來解決這一問題?；诖耍覀儓F隊在傳統(tǒng)護理機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的遠程通信和監(jiān)控系統(tǒng)以很好地解決了這一問題。擁有該系統(tǒng)的護理機不僅可以應(yīng)用在家庭中，幫助改善臥床病人的生活，減輕家庭的經(jīng)

35、濟負擔(dān)，而且可以應(yīng)用在醫(yī)院、療養(yǎng)院以及養(yǎng)老院等場所，大大減少人力、物力、財力等方面的占用和消耗。 同時，我們的項目屬于國家政策扶植類項目，在資金、立項、稅收、人員等方面會得到相關(guān)方面的支持。目前，我國長期臥床病人的數(shù)量不斷增加，人們的購買能力也會不斷增強，對具有遠程監(jiān)控和遠程通信功能的無人護理機的需求定然不斷增加。由此可見，我們團隊設(shè)計的具有遠程監(jiān)控和遠程通信功能的無人護理機定然有著廣闊的市場前景和巨大的經(jīng)濟效益。3.項目技術(shù)路線 系統(tǒng)主要由PIC單片機主控板4、鍵盤和顯示模塊、傳感變送器模塊、執(zhí)行機構(gòu)模塊、GSM通信模塊(TC35i)和用戶手機等幾部分組成(圖4)。在原護理機主控板（PIC單

36、片機）的基礎(chǔ)上外擴GSM模塊板，利用串行通信方式實現(xiàn)與護理機主控板的通信。上位監(jiān)控PC機與各下位護理機（帶ZigBee模塊的PIC單片機）的無線組網(wǎng)通信實現(xiàn)對多臺護理機的遠程監(jiān)控功能。圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1基于“GSM技術(shù)”實現(xiàn)“家庭式無人護理”功能當護理機運行過程中出現(xiàn)“污水水位上限報警”、“清水缺水報警”等關(guān)鍵檢測信息時，在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，護理機GSM模塊（在系統(tǒng)中，護理機的GSM模塊板就相當于一部手機）能及時將報警信息通過“手機短信”的形式自動發(fā)送到程序設(shè)定的病人監(jiān)護人的手機里面，使不在病人身邊的監(jiān)護人能及時監(jiān)控護理機的關(guān)鍵運行信息；當需要對護理機采取控制措施時，監(jiān)護人也通過“手機

37、短信”的形式發(fā)送給護理機，護理機接收到手機短信后，按照編好的程序（利用不同的數(shù)字短信代表執(zhí)行不同的功能）控制護理機的相應(yīng)的運行操作，從而實現(xiàn)真正意義上的“家庭無人護理功能”，給每一個使用家庭節(jié)省了巨大的護理費用，解決了目前家用護理機最迫切需要解決的問題。對于家用式護理機，實現(xiàn)家庭式無人護理是一個迫切要求。為此，擬將采用“GSM技術(shù)”實現(xiàn)遠程通信功能。GSM系統(tǒng)有幾項重要優(yōu)點：防盜拷能力佳、網(wǎng)絡(luò)容量大、通信清晰、穩(wěn)定性強不易受干擾、信息靈敏、通信死角少。 系統(tǒng)程序運行功能：當護理機運行過程中出現(xiàn)污水水位達到上限報警、清水缺水報警等關(guān)鍵信息時，在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，護理機能及時將報警信息通過“手

38、機短信”的形式自動發(fā)送到程序設(shè)定的病人監(jiān)護人的手機中，同時監(jiān)護人也可以通過手機給護理機發(fā)送約定的“協(xié)議指令”來控制護理機的運行，若監(jiān)護人無法及時處理，護理機會根據(jù)報警指標采取相應(yīng)的措施來保護病人的健康，以避免對病人造成傷害，并把處理方式以短信的形式發(fā)到監(jiān)護人的手機中，從而實現(xiàn)真正意義上的“家庭式無人護理”功能。監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)問題外擴GSM模塊板監(jiān)護人手機問題以短信形式發(fā)送命令以短信形式發(fā)送警報信號護理機主控制板問題處理方式圖 5 利用“GSM”技術(shù)實現(xiàn)家用式護理機的遠程通信功能原理圖3.2 基于“ZigBee技術(shù)”實現(xiàn)對多臺護理機遠程監(jiān)控功能對于醫(yī)院、療養(yǎng)院等群體使用護理機的單位

39、，盡量減少護理人員是他們的一個迫切要求。為此，擬將采用“ZigBee技術(shù)”實現(xiàn)“無線組網(wǎng)”功能。ZigBee是近幾年新興的一種低成本無線組網(wǎng)技術(shù)，它具有低速率、低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容納節(jié)點數(shù)多等特點，近年來在工業(yè)、醫(yī)療、家居自動化、遙測遙控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了星型連接方式，每個下位護理機作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點（路由器 ，主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能)，上位監(jiān)控機作為網(wǎng)絡(luò)中的一個協(xié)調(diào)器 (負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護網(wǎng)絡(luò)，維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等)，通過初始化配置和編程，使它們組成一個無線網(wǎng)絡(luò)，各個下位護理機（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，負責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，實現(xiàn)與上位監(jiān)控機

40、的主動通訊和信息交流）將實時檢測到的數(shù)據(jù)按照規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送到上位監(jiān)控機，上監(jiān)控機也能完成對下位機的配置和巡檢，這樣護士監(jiān)控站可以實現(xiàn)一臺上位機對不同病區(qū)病房的多臺（數(shù)量可相應(yīng)擴充）護理機的遠程監(jiān)控功能，從而實現(xiàn)“群體式無人護理”功能。系統(tǒng)要實現(xiàn)護理機信息的采集和集中監(jiān)控，選擇合適的通信方式就顯得至關(guān)重要。其中，無線通信方式是本系統(tǒng)通信方式的重要組成部分，下表2是幾種無線通信方式的比較。表2 幾種無線傳輸方式比較傳輸方式性能紅外線（IrDA）藍牙無線保真（Wi-Fi）超寬頻（UWB）ZigBee系統(tǒng)開銷大較大大大小電池使用壽命長較短短短最長網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量2730100255/65535覆蓋范圍

41、定向1m10m100m10m1100m傳輸速率16Mbps1Mbps11Mbps500Mbps20250Kbps傳輸介質(zhì)980m紅外2.4GHz射頻2.4GHz射頻高于2.5GHz射頻2.4GHz射頻通過表2比較可以看出，ZigBee技術(shù)相對于紅外線、藍牙、無線保真、超寬頻技術(shù)，具有系統(tǒng)開銷小、耗電量少、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠、通信速率可以滿足一般的低速率數(shù)據(jù)傳輸需求，這些特點使其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，包括家庭和樓宇自動化控制、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制以及醫(yī)療等場合。因此，本系統(tǒng)無線傳輸方式采用ZigBee無線傳輸技術(shù)。系統(tǒng)的通信方式主要可分為三部分：一是監(jiān)控中心計算機與ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備間的通信，可以

42、采用串口或USB兩種通信方式；二是終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器的通信，采用ZigBee無線通信方式；三是護理機與ZigBee子節(jié)點之間的UART異步串行通信。這三種通信方式的選擇，都充分考慮了實際需要，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性以及可擴展性等有至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)設(shè)計時， ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了星型連接方式，星形網(wǎng)的控制和同步相對比較簡單，適用于設(shè)備數(shù)量不太大的場合。本系統(tǒng)主要包括帶有ZigBee終端的個人智能衛(wèi)生護理機、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和監(jiān)控管理中心。在系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個協(xié)調(diào)器，監(jiān)控管理中心是一臺計算機，應(yīng)安有監(jiān)控軟件、打印機等，以滿足實際需要。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。整個系統(tǒng)是一個復(fù)雜

43、的綜合系統(tǒng)，不僅要求終端護理機能對病人進行較全面的護理，而且要求能在監(jiān)控中心計算機上實時顯示被監(jiān)控護理機的狀態(tài)，以滿足病人和監(jiān)護人員對系統(tǒng)的要求。因此，系統(tǒng)實現(xiàn)過程主要分以下幾點：設(shè)計滿足病人需求并具有ZigBee采集終端功能的高性能護理機。構(gòu)建監(jiān)控中心平臺，設(shè)計監(jiān)控軟件。通過管理中心協(xié)調(diào)器啟動網(wǎng)絡(luò)，并進行自組網(wǎng)，完成系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的搭建。通過管理中心軟件，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中護理機重要信息的采集、存取和顯示等功能。圖6 基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院護理機網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3 管理軟件總體功能與設(shè)計思路隨著社會信息化、網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，醫(yī)院及社區(qū)醫(yī)療都希望通過建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控體系，來實現(xiàn)對病人的遠程

44、護理。通過建立護理機無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)護人員可以高效的實現(xiàn)對病人的監(jiān)護。本護理機監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的軟件就是一個遠程管理與監(jiān)控中心軟件，護理人員通過操作此軟件，就可監(jiān)視加入到網(wǎng)絡(luò)中的每臺護理機的工作狀況，而且當網(wǎng)絡(luò)中有護理機出現(xiàn)異常狀況時，軟件會給出明顯提示，并有語音報警功能。此外，對護理機監(jiān)視期間的重要事件，進行歷史數(shù)據(jù)記錄，以方便今后查詢。整個管理軟件的功能組織結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖7護理機監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件組織結(jié)構(gòu)本管理軟件功能可劃分為數(shù)據(jù)收發(fā)、信息顯示、網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理、安全控制等模塊。為保證系統(tǒng)功能的可靠性和高效性，設(shè)計時采用了多線程處理。為提高數(shù)據(jù)處理效率，減少數(shù)據(jù)丟包，軟件設(shè)計了單獨的數(shù)

45、據(jù)接收、發(fā)送線程，在接收到護理機數(shù)據(jù)后進行相應(yīng)處理，若是工作數(shù)據(jù)則更新數(shù)據(jù)庫，以備主線程顯示，發(fā)送數(shù)據(jù)線程主要用于向護理機發(fā)送指令或響應(yīng)。此外，為提高語音部分處理效率，設(shè)計了單獨線程處理聲音，將多個聲音文件根據(jù)條件組合后成為一個文件然后進行播放。4. 利用“GSM技術(shù)”實現(xiàn)家用式護理機的遠程監(jiān)控 系統(tǒng)工作時，PIC單片機每隔500ms將護理機的水溫、風(fēng)溫、流量、清水桶液位下限報警、收集桶臟物上限報警、漏電檢測報警等參數(shù)巡檢一遍。當某項檢測參數(shù)發(fā)生報警時，護理機除了發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示信息外，同時還將報警信息通過GSM模塊以“手機短信”的形式發(fā)送到程序設(shè)置的監(jiān)護人的手機中，提示監(jiān)護人及時回家處

46、理。4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件包括電源模塊設(shè)計、PIC單片機主控板電路設(shè)計、按鍵設(shè)計、LCD顯示設(shè)計、傳感器變送器電路設(shè)計、語音電路設(shè)計、GSM通信模塊電路設(shè)計和外圍驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)電路設(shè)計等。4.1.1單片機芯片選擇 由于單片機與GSM通信模塊(TC35i)之間通過串口通信，考慮到今后還需要與ZigBee模塊進行串口通信，所以需要具有至少兩個串口的MCU；系統(tǒng)需要采集風(fēng)溫、水溫等總共10路檢測參數(shù)；在大小便結(jié)束后進行的溫水沖洗和暖風(fēng)烘干過程中，還需要用到多個定時器；需要通過PWM方式控制電機轉(zhuǎn)速。綜合考慮上述的要求，本系統(tǒng)選采用Microehip(微星)公司的PIC18F877K22單片機5，

47、其內(nèi)部集成4KB SRAM，128KB EPROM，69位IO，2個增強型EUSART，24路12位AD轉(zhuǎn)換器，5個16位定時器，7個CCP模塊和3個ECCP模塊，其資源完全滿足系統(tǒng)需要。4.1.2傳感器變送器接口設(shè)計 護理機用到的傳感器包括風(fēng)溫、水溫、水流量、大小便檢測、收集桶位置、收集桶臟物上限位置、清水桶液位下限位置等參數(shù)的檢測。其中大便采用紅外光傳輸原理，結(jié)合大便成分對紅外光吸收及隔斷機理來判斷是否有大便排出，小便則通過分析小便對收集座部位電容量的改變判斷是否有小便排出。風(fēng)溫、水溫傳感器采用新型熱敏電阻PT3M-K51F-BLT1傳感器，既適合于測量風(fēng)溫，又適合測量水溫。收集桶內(nèi)臟物位

48、置檢測傳感器有兩個，一個是“高位置”檢測傳感器，另一個是“極限位置”檢測傳感器，當臟物位置達到“極限位置”報警時，系統(tǒng)自動停止對大小便的處理，防止臟物溢出。主要的傳感器接口電路如圖8所示。圖8 傳感器接口電路4.1.3語音接口電路設(shè)計 當出現(xiàn)報警時需要有相應(yīng)的語音提示，語音部分采用了專門的語音處理芯片WT588D-20SS，該芯片功能強大、方便易用。此外，還設(shè)置了專門的存儲器TS25L-16AP，它具有16M NOR Flash，通過與語音芯片配合，可以很好地完成語音提示功能。4.1.4液晶和鍵盤接口電路設(shè)計為滿足護理機手動控制需要，設(shè)計了專用的鍵盤，此鍵盤與CPU接口采用8位IO線并口輸入輸

49、出方式。LCD顯示采用RT12864圖形點陣型液晶顯示模塊，可方便實現(xiàn)檢測參數(shù)和控制參數(shù)的實時顯示。4.2.5 GSM通信模塊電路接口設(shè)計1）TC35i模塊介6TC35i模塊是一個支持短消息服務(wù)(SMS)、數(shù)據(jù)通信和語音通信功能的工業(yè)級GSM模塊，由供電部分、GSM基帶處理器、FLASH閃存、射頻部分、天線和ZIF(零插拔力)連接器等組成(圖9)。圖9 TC35i結(jié)構(gòu)框圖基帶處理器是TC35i的核心，主要處理GSM終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。TC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出。這40個引腳按功能劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、SIM卡

50、、音頻接口和控制。 2) TC35i模塊接口電路設(shè)計7TC35i與PIC單片機和SIM卡的接口都是通過ZIF連接器完成，如圖10所示。本系統(tǒng)中ZIF連接器用到的主要引腳如下：第15引腳是TC35i的工作電壓輸入端VBATT+，推薦電壓為4.2VDC，第610引腳是電源地(GND)。第15引腳是啟動腳IGT(Ignition)，低電平有效，本系統(tǒng)外接三極管Q1與PIC18F87K22的IO RC5腳連接，當RC5產(chǎn)生大于100ms的高電平時，啟動腳IGT與GND導(dǎo)通而變成低電平，啟動GSM模塊。第1623為數(shù)據(jù)輸入輸出，分別為DSR0、RING0、RXDO、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0

51、和DCD0。TC35i的數(shù)據(jù)輸入輸出接口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標準。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗位，比特率在300bps115kbps之間可選，默認9600，支持標準的AT命令集。本系統(tǒng)中僅用RXD0、TXD0分別與PIC單片機的RXD、TXD引腳連接即可，即單片機與TC35i的通信就是通過這兩條串口線完成的。TC35i使用外接式SIM卡，第2429為SIM卡引CCDET2引腳與ZIF的CCIN引腳相連，用來檢測SIM卡夾持器中的SIM卡是否插好，如果已經(jīng)插好，則CCIN引腳上為高電平，否則為低電平，因此通過單片機編程讀取ZIF的CCIN引

52、腳電平即可判斷SIM卡是否就緒。CCIO是串行數(shù)據(jù)線，完成TC35i和SIM卡的數(shù)據(jù)輸入和輸出。第32腳為控制腳SYNC，本系統(tǒng)中的功能是指示TC35i的工作狀態(tài)。圖10 TC35i和單片機、SIM卡接口電路4.2 GSM短信息處理程序設(shè)計8GSM短信息傳遞本質(zhì)上就是單片機通過AT指令向監(jiān)護人手機發(fā)短信的過程。TC35i短消息模塊有兩種工作模式，用“AT+CMGF=n”命令來設(shè)置，n=0為PDU模式；n=1為文本模式。由于本系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都是基于英文的報警狀況和命令字，所以n=1。AT+CMGS為選擇消息服務(wù)。下面以“臟物收集桶滿(Dirty Full Alarm)”報警為例，通過程序說

53、明其實現(xiàn)過程:While(GSM_Module_Ready) / 當檢測到GSM模塊已處網(wǎng)絡(luò)時if（Dirty_Collection_Full_Alarm）/ 如果“收集桶報警”發(fā)生，則分別向SIM卡中已存儲的3個監(jiān)護人的手機號碼發(fā)送“Collection Bucket is Full!”報警短信for(i=1;i上(工作數(shù)據(jù))0XC1：下上(命令響應(yīng))幀序號每次發(fā)送自動加1機器身份碼模塊出廠地址64bit,16字節(jié)風(fēng)溫設(shè)置值1字節(jié)065水溫設(shè)置值1字節(jié)038實際風(fēng)溫1字節(jié)065入水實際溫度值1字節(jié)038出水實際溫度值1字節(jié)038待機狀態(tài)1字節(jié)其他機器工作狀態(tài)1字節(jié)時間高四位1字節(jié)時間低四位1

54、字節(jié)校驗值CRC方式結(jié)束符0X16上位機對下位機發(fā)送數(shù)據(jù)的協(xié)議幀共22字節(jié)，如表4所示：表4上位機對下位機發(fā)送數(shù)據(jù)協(xié)議幀起始符數(shù)據(jù)長度幀序號命令字機器ID校驗值結(jié)束符0 x7E包長度減2每次加10 xC2；0 x0116字節(jié)IDCRC校驗0 x16 在上位機對下位機發(fā)送數(shù)據(jù)時，命令字為0 xC2時表示上位機對下位機工作數(shù)據(jù)的響應(yīng)；命令字為0 x01時，表示上位機在注冊新護理機時，向新護理機發(fā)送的命令。5.3 無線組網(wǎng)通信流程5.3.1上位監(jiān)控PC機與下位護理機的無線組網(wǎng)通信流程上位監(jiān)控PC機與各下位護理機（帶ZigBee模塊的PIC單片機）的無線組網(wǎng)通信流程為：下位護理機上電完成I/O口、串口

55、、中斷、定時器等的初始化后，可選擇“自動”、“手動”、“遙控”三種啟動方式進入相應(yīng)的工作狀態(tài)，上位監(jiān)控PC機也將自動尋找下位護理機并將其加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，下位護理機根據(jù)工作狀態(tài)，會按照“通信協(xié)議”（見附錄二）主動通過其終端(自身的ZigBee模塊)向ZigBee網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送工作和狀態(tài)數(shù)據(jù)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中如果有上位機發(fā)給此下位護理機的數(shù)據(jù)，下位護理機的終端也會將數(shù)據(jù)傳遞給護理機，護理機按協(xié)議判斷接收到的數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理。5.3.2 ZigBee終端與護理機的通信流程終端HAC-LBee EndDevice/Router模塊與護理機的通信采用的是TTL電平下的串行通信方式，護理機主控芯片

56、PIC18F87K22，具有非常豐富的資源，其中包括2個增強型可尋址USART模塊，完全滿足終端模塊與護理機通信需要。本系統(tǒng)使用PIC18F87K22單片機的EUSART2，它與PORTG口RG1、RG2引腳復(fù)用，通過對相關(guān)寄存器設(shè)置，可使用其異步通信功能，其具體硬件連接如圖13所示：圖13 PIC18F87K22與HAC-LBee連接示意圖此處，HAC-LBee 終端模塊需3.3V電壓供電，設(shè)計時采用了ASM1117-3.3電源穩(wěn)壓芯片。5V電壓經(jīng)ASM1117-3.3芯片穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的3.3V電壓。電路圖如圖14所示。圖14 ASM1117-3.3電源穩(wěn)壓電路5.3.3協(xié)調(diào)器與管理中心計

57、算機的通信流程ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與管理中心計算機的通信，是由中心計算機經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口方式通過電腦USB口與HAC-DEV開發(fā)測試板連接的，也可通過開發(fā)測試板上的串口與帶串口的管理中心計算機直接相連來實現(xiàn)連接。HAC-DEV開發(fā)測試板是HAC-LBee的測試開發(fā)裝置。它能夠直接對 HAC-LBee 系列的模塊進行數(shù)據(jù)傳輸測試；也可以連接電腦，通過串口測試軟件HAC Studio對HAC-LBee 系列的模塊進行數(shù)據(jù)傳輸測試，或進行參數(shù)設(shè)置。通過電腦USB轉(zhuǎn)串口方式連接時，USB將同時為開發(fā)板提供電源。HAC-DEV開發(fā)測試板中，USB轉(zhuǎn)串口芯片用的是CH340，該芯片不僅內(nèi)置收發(fā)緩沖區(qū)，而且

58、支持全雙工串口通信，支持的波特率范圍可以從50bps-2Mbps。USB轉(zhuǎn)串口的電路原理圖如圖15所示。圖15 USB轉(zhuǎn)串口電路當以USB方式連接時，管理中心計算機需要安裝USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動，并且需要設(shè)置轉(zhuǎn)換后的串口波特率、校驗位等，使其與HAC-LBee Coordinator的一致，這樣才能保證硬件連接的成功。圖16是組裝有協(xié)調(diào)器的開發(fā)測試版。在協(xié)調(diào)器與管理中心計算機連接成功后，要實現(xiàn)真正的通信，必須通過管理中心軟件來完成。圖16 組裝有HAC-LBee協(xié)調(diào)器的開發(fā)測試板實物圖5.4 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計按照護理機的無線遠程監(jiān)控要求，在上位監(jiān)控機中需要完成以下功能：設(shè)置系統(tǒng)配置：能完成系統(tǒng)通信

59、端口的配置和使用單位名稱（如醫(yī)院名稱）的動態(tài)輸入配置用戶管理配置：管理員（如護士長）能動態(tài)的完成對一般用戶（各個護士）的配置（包括用戶名和其登陸密碼），能“注冊”或者“注銷”一般用戶。設(shè)備配置：管理員能動態(tài)的向ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中能動態(tài)的“注冊”或者“注銷”護理機，其中包括每一臺護理機的ID號、所屬科室名稱（如外科、內(nèi)科、小兒科等）、所處病房號和床位號。設(shè)置報表查詢功能：所有用戶均能點擊“報表查詢”菜單，能分別按“時間”、“用戶名”、“床位號”查詢以往所有數(shù)據(jù)庫中記錄的值班期間的所有的監(jiān)測信息。能分別按照“病房號”和“床位號”動態(tài)的查詢和顯示某一房間某一床位的護理機的實時運作狀態(tài)。當下位護理

60、機出現(xiàn)報警或者通信故障時，需要有精確信息的語音提示。 通過對上位機監(jiān)控軟件（主界面如圖17）的功能分析，首先確定其由“主線程”、“通信處理線程”、“語音處理線程”等部分組成，然后進行各部分功能細化，再按照模塊化功能用C+build6編程實現(xiàn)。為提高數(shù)據(jù)處理效率，在通信處理軟件設(shè)計部分，開辟了單獨的“數(shù)據(jù)接收線程”和“數(shù)據(jù)處理線程”，處理線程將接收線程接收的下位機所有數(shù)據(jù)進行校驗處理，并將下位機工作數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，最后，根據(jù)與上次工作數(shù)據(jù)比較確定是否更新“主線程圖 17 上位機監(jiān)控軟件主界面目錄樹”。主線程根據(jù)用戶需求，實時的從數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)顯示，同時主線程還要能完成護理機“入網(wǎng)注冊”、“注銷”