基于STM32的医疗康复室智能家居系统

吴德鑫　白清元　金英敏　陈丽君　冯冲

摘要：本文提出一种基于红外通信互联的、可无线操控的医疗康复室智能家居系统设计。此系统一方面实现了家居设施的智能控制，同时可由护士及病患通过红外、语音兩种方式对各类家居进行遥控，另一方面红外无线通信具有低功耗、低电磁干扰等优点，减轻了环境中辐射对病人的伤害。这分担了护士的工作，让护士专注于病人病情的诊查，还有利于病人的康复。

关键词：红外通信；自动调节；智能家居

0引言

世界上大多数国家的护士职位人数占总人口的比重约为5‰，而中国却只有1‰左右。与欧美发达国家相比，中国护士在数量与规模上呈现出一定劣势与短板，而且不同地区间的差距也颇为明显。为此，中国目前正面临着护理人力资源配置严重不足的严峻挑战。

医疗康复室是各大医院的常见部门，康复室通常由特定的护士设岗管理，管理范围包括患者病情巡查和依据病患需求调控室内设施。随着病患的增加，护士的工作量会日益加重，为此研发建立面向医疗康复室的智能控制系统，一方面实现了室内设施的智能控制，同时还可由护士及病患通过红外、语音两种方式对各类设施功能进行遥控：另一方面红外无线通信具有低功耗、低电磁干扰等优点，减轻了环境中辐射对病人的伤害。这不仅能够有效分担护士工作，使护士专注于病人病情的诊查，在某种程度上更有利于病人的及早康复。

综上可知，本文即重点提出了一种基于红外通信互联的、可无线操控的医疗康复室智能家居系统设计，此系统提供室内温湿度调节、室内光照调节和消毒等自动化功能，还基于红外光通信和语音识别技术提供对上述集成单元的人工控制功能。

1总体设计方案

本系统研究设计的面向康复家居控制主要可展示描述如下：核心部分要实现对各项功能的智能控制，即基于红外通信方式的远程遥控；而系统中包括3个子模块，分别是紫外灯消毒模块、室内环境调节模块和窗帘控制模块。其中，紫外灯消毒模块是在检测无人情况下进行室内紫外线消毒：室内环境调节模块是对室内的温湿度做出适当的优化调节；窗帘控制模块是根据检测到的光强对窗帘来调控开启与关闭配置。这三大模块的功能所对应的硬件设计则如图1所示。

2硬件设计

本系统的核心部分采用了探索者STM32F407开发板上微处理器、4.3寸液晶屏、自带的红外接收头和红外遥控板，外围用杜邦线连接红外发射板和语音识别模块，组成本次研究的核心控制部分。

本系统包括3个子模块，分别是紫外灯消毒模块、室内环境调节模块和窗帘控制模块。系统的子模块的调度机制都是由51单片机进行控制，每个子模块都由红外接收板、液晶、键盘和USB转串口模块与单片机最小系统硬件连接，同时针对每一部分均已单独制作了一个开发板，用到的功能模块均通过杜邦线与该开发板连接后进入使用。子模块的三大功能分别实现：对室内环境进行紫外消毒；调节室内舒适度，改变环境中的温湿度；改善室内光照的强度。在此，将给出系统设计方案如图2所示。研究设计内容则论述如下。

2.1红外交互

红外通讯的成功构建必须实现对红外线的信息与数据的发射与接收。如果接收器能够对发射的红外线有接收反应，并且一一对应，那么就可以通过红外来遥控，并全程设计推行本文智能家居这一观念。

红外无线通信采用红外线作为无线传输载体，并可应用于室内外以实际获得点对点的通信，这一设计具备如下特点优势：

1）红外线可以代替传统设备之间的连接线缆作为通信载体，可大大降低线缆费用和设备维修费用，简单方便，成本低廉。

2）红外线遇不透明物质则无法穿越，发生侦听的可能性较小，保密性好，并且红外线发射角度一般不超过30度，视线之外的设备很难对其构成干扰，安全性高。

3）红外线不受空间高频电磁波的干扰，在使用红外线传输信息时，干扰小。

4）红外线功率低，最大消耗为几mA，对人体健康尤其对人的眼睛无任何伤害作用。

5）红外线的应用广泛，红外通信技术成熟，现如今的应用普及度已不可小觑。

研究过程中，完整探讨并推出了红外发射与接收的系统框架，清晰展示了利用红外线来实现通讯的关键流程步骤。下面即针对每一部分给出详尽解析与阐释。

2.1.1红外发射模块

红外发射电路由放大电路和红外发射管组成。在电路元件参数选择时，首先确定红外发光二极管，再由该元件主要参数为基准，去设计选择其他元件。一般情况下，红外发光二极管在作为遥控使用时多选取远红外区的性质款型，波长为940um。发射距离主要由发射功率决定，可斟选功率20-100mW，正向压降UF≤1.8 v，反向击穿电压Ur>5 v，型号为HG450的发光二极管。三极管的配选上将重点考虑集电极电流，流过发光二极管的电流就是三极管集电极电流，由于当二级管驱动电流，6较大时，实现上却难于达到，故采用复合管，具体则选用3DG6和3DGl2，为了减少发射电流输入对编码调试电路的影响，需用反向器进行隔离。

2.1.2红外遥控编码器

编码电路的作用：将并行输出的控制代码，按一定的顺序处理编排，转换为串行数据后送入调制，形成电路。目前，已有较多产品成果可用于遥控系统的编/译码集成芯片。

本次研究中，即将MCl45026与译码器MCl45027配对使用，具有如下特点：

1）能与射频、超声波或红外线的调制器接口。

2）在二进制（0或1）或三态（0，1，开路）数据中能按址操作。

3）每个编码序列数据传送2次，提升了接收安全性。

4）采用RC振荡器，无需使用晶体振荡，且对外部元件的精度要求不高，允许有±5%的误差。

5）应用领域范围广阔，如防盗、数据传输、无绳电话、安全控制、遥控系统。

2.1.3载频产生与调制器

编码信号直接传输，抗干扰能力差，传输距离近。为应对现有性质内置方面不足，需将编码信号装载在较高频率的载波上来运行发射。这里的载波是指高頻脉冲波（方波），载波的产生电路，就是高频方波振荡器，本次设计采用门电路组成方波发生器，同时考虑利用编码信号调制载波，故最终采纳了可控振荡电路。

2.1.4红外接收模块

红外接收电路通常由一片专用集成电路和少量外围器件而共同配合组成。本次研究即由HS0038主控构成了红外接收电路。

红外线接收遥控是目前使用日趋广泛的一种通信和遥控手段，这在很大程度上可归结为其在多方面的显著性能优势，分别表述为：抗干扰能力好、编码及解码容易、功耗小、成本低等。

红外接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。

HS0038的输出信号需要经过反相处理，处理后的信号才能送人MCl45027芯片来分析展开解码。因此，在HS0038的输出后需要加入74HC04反相器对信号进行反相处理。

2.1.5红外解码器

解码电路的功能是将解调后的串行数据进行解码，使其成为BCD控制代码，并使控制代码以并行方式提供输出。MCl45027是与MCl45026配对使用的通用接收解码器。特别地，针对MCl45027的内部结构及其组成的解码电路的探讨可知，数据提取电路的作用即是判别和检测输入数据的特性。

实际调试中，选定电容Crc为4 700 pf，调节电子Rrc，使145026输出信号的频率为2 KHz。此时测得RTc的电阻值为34.41 K，其中，固定电阻R21的值为20 K，电位器R23的值为14.41 K。根据上述参数将可计算求出R1、C1、R2、C2的需求数值。

收到的串行数据从MCl45027的第9引脚输入，经数据提取电路判别后与序列发生器生成的本地地址码再综合执行指定校验操作。

2.1.6译码器与控制器

译码电路是将解码器输出的4位二进制控制信号代码复译为与发射端相应的8路控制电平。选择4个双D触发器74HC74，则可对8路信号的状态实现精准控制，每收到一次信号，控制状态就转换一次。

2.2人机交换

本系统通过探索者STM32407的液晶显示屏来标识呈现相应的控制操作，例如打开与关闭加热功能按钮号、打开与关闭消毒功能按钮号、打开与关闭窗帘按钮号等，病患可清晰选择各定制功能，提高遥控的准确性。还通过51单片机连接ledl602液晶屏给出各个子模块的视像展示参数，如温湿度、光照强度、紫外消毒时间，并且能通过按键设置温湿度的上下限、光照强度的上下限、以及消毒的时间长度。

3软件设计与系统验证

3.1软件设计

至此，研究中探讨设计了软件总体架构如图4所示。

核心控制模块会显示全部功能按键并由病患设定操作，根据子模块显示的数据，如温度、湿度、光强，病患可根据需要通过遥控器进行按键控制，也可直接进行语音控制，发出的指令将送至STM32F407微处理器中展开探询分辨，再将获取的结果命令通过红外发射出去，如果命令错误，便无模块应答并提示命令错误：如果命令正确，则相应的子模块会开启执行其独立预期功能，包括紫外消毒、自动调节加热加湿、自动开启关闭窗帘，并且子模块会根据配置的量化参数自动调节控制环境中温湿度、光强度等。

3.2系统验证

紫外灯定时消毒包含可遥控、禁用检测、警示、时间设置及系统状态显示等功能。紫外灯可在开启和关闭功能选项中自由轮换，消毒的时间由护士或病人设定，比如可将紫外灯的开启时间设定在病人外出时间段，在病人回来后紫外灯关闭。在紫外灯消毒期间，可通过人体检测模块对室内巡回检测是否有人，若有人在内，则调用警示功能，会有语音提示如“紫外灯正在消毒，请勿在室内逗留”，紫外灯的状态和设定时间都会在液晶上显示出来，便于查看，紫外灯的开启和关闭也可通过病人的需求发出命令控制。

室内环境自动调节包含可遥控、参数设置、温湿度检测、调节温湿度等功能。护士可通过键盘稳妥设置适合病人的温度和湿度范围，若室内温湿度超出该范围，则自动开启加热器或加湿器，给病人营造一个良好舒适的生活环境，病人也可以根据自己的需求通过遥控器或语音而对加湿器和加热器施加合理控制。

窗帘控制包含可遥控、室内亮度采集、亮度调节和参数设置等功能。研究在本系统中采用GY-30数字光模块检测室内外光强强度，并在液晶上显示检测数据，护士可通过键盘设定合适的光强范围，如检测到的光强强度低于该范围，则关闭窗帘，若高于该范围，则开启窗帘，病人也可根据自己需求遥控或语音控制窗帘的开启或关闭。

4结束语

通过研究设计和实践调试，该系统最终开发并实现了如下完备功能：紫外灯消毒模块可以定时对室内的环境进行消毒；室内环境调节模块通过严密监控室内的温度和湿度而对环境发出指示调节：窗帘控制模块通过检测到的光照强度来控制窗帘的打开与关闭。本系统兼备了低电磁辐射的特点，并且利用红外无线互联方式，把一些家居设施和基本医疗设备联网，形成自动控制和远程控制，可为病患，特别是卧床患者操控室内设施提供方便。同时，减轻医护人员的工作强度，对缓解前文所述问题具有现实意义。