老人病房環(huán)境控制設計

苗家騉

(上海工程技術大學， 上海 201620)

0 引 言

在十九大上，已經(jīng)總結(jié)出了中國進入改革開放新時代的結(jié)論。這意味著中國的發(fā)展已經(jīng)取得了巨大的成就，其中包含了經(jīng)濟結(jié)構、經(jīng)濟總量、國防、人口年齡結(jié)構以及人口平均壽命等等方面。

一直以來，人口就是社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要、也是基本因素，同樣經(jīng)濟發(fā)展狀況也會反作用于人口結(jié)構本身。經(jīng)濟結(jié)構的升級與優(yōu)化直接提高了中國人民的生活質(zhì)量，其帶來的間接效果便是人口平均壽命的延長，根據(jù)2018年的統(tǒng)計，中國人口平均壽命已經(jīng)逼近78歲，與世界發(fā)達國家平均壽命旗鼓相當，其中上海和北京的人口平均壽命則已超過了80歲。近年來，老齡人口的占比也不斷擴大，在第六次人口普查中，65歲以上老齡人口就已經(jīng)達到了8.87%。由此可知，中國的人口老齡化問題已成為全社會都在普遍關注的一個研究熱點。這不僅是出于中國傳統(tǒng)的尊老愛幼美德，還因為老齡人口關乎社會資源的有效配置。本文旨在運用嵌入式系統(tǒng)，整合現(xiàn)有的各種電氣設備為老人提供一種高度自動化的病房環(huán)境控制解決方案。

1 技術路線及架構

1.1 數(shù)據(jù)連接

考慮到老人在病房環(huán)境下的舒適性和活動便利性，常規(guī)醫(yī)療設備所帶來的數(shù)量繁多的數(shù)據(jù)線、電源線已經(jīng)不適用于本文設計，因此采用了ZigBee、BlueTooth4.0兩種無線數(shù)據(jù)連接技術來傳輸相關傳感器數(shù)據(jù)，省去了傳統(tǒng)設備需要用到電線的麻煩。

1.2 主要算法

(1)路徑預判算法。在本設計中，自動照明模塊的功能之一是根據(jù)被測目標人物的已有路徑判定其未來的路徑。在理論研究中面對多岔道路時系統(tǒng)會同時開啟各個岔道口的第一個照明燈。(功能演示中，將其簡化為一維路徑進行演示)。具體方式是將多個紅外傳感器或小燈依次編號，系統(tǒng)采樣時會取用該編號的數(shù)字并將其賦值給算法中的變量。根據(jù)前后2個變量的差值變化來判定人體運動的方向，以此做出預判。例如有3個傳感器：

采樣L1=3, L2=2，if Δ=L1-L2=1 >0, 判斷為右向左方向，則 L2-Δ=1 開啟小燈1；

采樣L1=1, L2=2，if Δ=L1-L2=-1 <0, 判斷為左向右方向，則 L2-Δ=3開啟小燈3。

(2)模糊控制。由于氣溫的瞬時值并不具有代表性，這意味著精確的閾值條件并不適用于自動溫控模塊中季節(jié)條件的判定。因此本設計將對室外氣溫定時采樣取得均值的方法進行模糊化處理，在主控程序中預先設定好3個經(jīng)典集的參數(shù)控制范圍代表3個季節(jié)：春秋、夏季、冬季。判定條件為：平均氣溫低于10 ℃為冬季、平均氣溫在10 ℃～22 ℃之間為春秋季節(jié)、平均氣溫大于22 ℃時判定為夏季。在進行條件判定后，主控程序再調(diào)用相應的集合范圍對氣溫參數(shù)進行控制。此時需用到如下數(shù)學公式：

(1)

其中，TempA為模糊化后的氣溫數(shù)據(jù)；Temp為實時采樣得到的數(shù)據(jù)；f為采樣頻率。

1.3 主控程序示意圖

主控程序的流程設計如圖1所示。在圖1中主控程序設計包含4個模塊，即：自動照明、自動呼救、空氣質(zhì)量監(jiān)測、自動溫控。其中，自動照明模塊、空氣質(zhì)量監(jiān)測模塊、自動溫控模塊的數(shù)據(jù)簡單，對延時響應要求具有相當?shù)娜蒎e，且需要多傳感器組建監(jiān)控網(wǎng)絡，故采用ZigBee這一功耗較低的網(wǎng)絡技術。而自動呼救系統(tǒng)需要涵蓋多項人體生命體征的數(shù)據(jù)，且要求全天候?qū)崟r監(jiān)控，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)需要及時上傳至服務端，因此采用高速的藍牙4.0技術將數(shù)據(jù)傳送至自動呼救模塊中。開發(fā)版功能實現(xiàn)設計如圖2所示。

圖1 主控程序示意圖

為了便于進行硬件的功能演示，這里對理論設計中的各種執(zhí)行器以及工作狀態(tài)進行了簡化與修改，對此可做闡釋分述如下。

圖2 開發(fā)板功能實現(xiàn)示意圖

(1)自動照明模塊。模式1為光照條件較好的白天模式，模式2為光照不良的夜間模式(或有意關閉照明的休息時間)，兩者通過光敏電阻進行切換。RGBLED燈三顏色全部點亮時代表白燈(即為照明)。當檢測到故障時，系統(tǒng)會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(2)自動溫控模塊。在溫度控制模塊中，省略了濕度相關執(zhí)行器的工作狀態(tài)。主要展示溫度控制的工作狀態(tài)。不同顏色的LED燈代表空調(diào)的不同工作模式；藍色LED代表空調(diào)處于制冷模式，紅色LED代表空調(diào)處于制熱模式。檢測到故障時，系統(tǒng)會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(3)空氣質(zhì)量控制模塊。由于空氣凈化器只有工作與不工作兩種狀態(tài)，故在本模塊的功能實現(xiàn)中，選用不同顏色的LED燈代表當前空氣質(zhì)量狀況的情況；綠色LED表示空氣質(zhì)量良好，紅色LED表示當前室內(nèi)空氣質(zhì)量差。檢測到故障時，系統(tǒng)會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

(4)自動呼救模塊。實際測量心跳過程中，想要獲得不同的心跳狀態(tài)較為困難，所以將心跳數(shù)量寫入程序中定義為可手動控制的變量。當心跳正常時，生命狀態(tài)指示燈為綠色；當心跳異常時，生命狀態(tài)指示燈為紅色并點亮蜂鳴器(發(fā)出呼救信號)。檢測到故障時，系統(tǒng)會點亮黃色LED以及蜂鳴器。

2 模塊功能設計與實現(xiàn)

2.1 自動照明模塊

(1)方案選擇?？紤]到老年人病房環(huán)境，其本身并不需要高精度的檢測，只需要檢測出人體信號即可。同時考慮到在進行大范圍推廣時，需要控制其安裝和使用成本。因此，成本較為低廉的被動式紅外探測器是本論文設計的最佳選擇。

(2)適用地點以及條件。本設計提出病房的適用范圍并不僅僅局限于醫(yī)院，目前可將其大致分為3類：醫(yī)院病房、家庭病房、養(yǎng)老機構病房。首先，家庭病房由于空間較小，可供預判算法參考的地點不多，若再兼顧到其他家庭成員的活動，家庭病房環(huán)境是否安裝該自動照明系統(tǒng)則是一個有待商榷的選項。接著，是醫(yī)院病房和養(yǎng)老機構病房兩種環(huán)境，其共有的特點有：空間寬大、通道多、夜間活動人員相對較少等等。與夜間自動照明的設計初衷較為吻合。因此醫(yī)院病房和養(yǎng)老機構病房是較為合適的安裝使用地點。

(3)功能實現(xiàn)。工作模式判斷流程如圖3所示。模式一開啟則模式二關閉，手動切換模式。對夜間模式來說，夜間模式照明控制流程如圖4所示。在開發(fā)板搭建中，本設計主要使用了3個 HC-SR501人體紅外傳感器模塊作為探測器，3個RGBLED燈為執(zhí)行器。其中，單個RGBLED燈亮起時代表小燈，3個RGBLED燈同時開啟時代表大燈開啟。

圖3 工作模式判斷流程圖

圖4 夜間模式照明控制流程圖

當單個紅外傳感器探測到信號時會開啟相應的單個小燈。當有2個及以上的小燈以一定順序檢測到信號時，控制系統(tǒng)會判定有人在移動，遂根據(jù)預判算法，提前開啟下一個小燈。

當3個紅外探測器同時接受到信號，并且持續(xù)時間超過5 s時，控制系統(tǒng)判定為老人摔倒在地，自動開啟大燈，并且聯(lián)動自動呼救系統(tǒng)觸發(fā)警報，啟動蜂鳴器。

2.2 氣溫控制模塊

(1)方案選擇。由于該模塊方案牽涉到多個執(zhí)行器，包括空調(diào)和加濕器，所以本設計要先分開而論。對此擬給出研究表述如下。

首先，是空調(diào)。目前市面上主流的空調(diào)可根據(jù)不同的標準來進行分類，比如按照安裝方式可以分為柜式機、掛壁機等，按照功率可分為一匹半、兩匹機、三匹機等。還有一種最新的分類方式，可分為：定頻空調(diào)和變頻空調(diào)。從環(huán)保的角度出發(fā)，本設計選擇使用變頻空調(diào)。因為相對于傳統(tǒng)的定頻空調(diào)，變頻空調(diào)可以自動地變換控制壓縮機的工作頻率。其核心就在于引入了變頻器，就使變頻空調(diào)得以精確地控制其制冷/制熱速度。當室溫接近設定溫度時，變頻空調(diào)能以10%的功率低速運轉(zhuǎn)，從而精確地控制溫度損耗，保持室溫恒定。變頻空調(diào)的優(yōu)點主要有：功耗較低，不會導致過冷或者過熱，能保持恒定室溫等等。其唯一的不足就是成本較為高昂。

其次，是加濕器的選擇。由于空調(diào)的任何工作方式，無論是制冷、還是制熱，都會降低空氣中的濕度。因此為配合空調(diào)的工作，只需適當?shù)匮a充空氣中的濕度即可。所以本設計對于加濕器的選擇和應用具有相當?shù)娜蒎e性。綜上所述，考慮到環(huán)保及節(jié)能減排的需要，本設計選擇采用變頻空調(diào)搭配加濕器的工作方式。

圖5 氣溫模塊季節(jié)判定流程圖

(2)功能實現(xiàn)。在本模塊中，采用了模糊控制的原理。根據(jù)上文對比分析得出的老年人適用指標數(shù)據(jù)，將其劃分為3個對應的參數(shù)范圍，包括春秋季、冬季、夏季。首先主控程序會隔1 min采樣，收集室外溫度再計算得出當日平均值。當溫度在10 ℃～22 ℃時，系統(tǒng)采用春秋的溫度范圍進行控制。當溫度在22 ℃以上時，系統(tǒng)采用夏季的溫度范圍進行控制。當溫度在10 ℃以下時，系統(tǒng)采用冬季的溫度范圍進行控制。溫度控制流程見圖6。

圖6 溫度控制程序流程圖

2.3 空氣質(zhì)量控制模塊

(1)方案選擇?？諝赓|(zhì)量的控制，可以由空氣凈化器來完成，目前主流的空氣凈化器都能針對PM2.5進行凈化。由于需要配合系統(tǒng)的控制，本文需要采用帶有智能物聯(lián)網(wǎng)的機型。不僅如此，設計時考慮到空氣質(zhì)量指標嚴重超過可控范圍，或者無法及時控制，本文將要采用強制換氣，這就需要電動機來驅(qū)動窗戶的開啟與關閉。以上執(zhí)行器皆可以通過WiFi或者是紅外信號進行控制通信，各類參數(shù)則將通過各部分的傳感器以及ZigBee節(jié)點來傳輸。目前根據(jù)空氣顆粒物去除手段，可以將空氣凈化器大致分為5類：機械過濾型，高壓靜電除塵、靜電駐極式濾網(wǎng)、靜電除塵、靜電滅菌。綜合來看，靜電駐極式濾網(wǎng)的空氣凈化器能較好地保證凈化效率，也能兼顧環(huán)保的要求，降低臭氧的排放，耗材的廢棄也不會帶來環(huán)境污染，是本模塊設計較好的選擇方案。

(2)功能實現(xiàn)。本模塊設計中，傳感器模塊可直接輸出AQI指數(shù)給控制程序。因此基于AQI指數(shù)來設定閾值?？諝赓|(zhì)量程序控制流程如圖7所示。當空氣質(zhì)量指數(shù)超過500時，控制系統(tǒng)會點亮紅色LED指示燈，代表空氣凈化器正在工作。隨后繼續(xù)監(jiān)測空氣質(zhì)量指數(shù)，如果AQI低于500時，系統(tǒng)會點亮綠色LED代表空氣質(zhì)量良好，空氣凈化器處于待機狀態(tài)。如果監(jiān)測到的空氣質(zhì)量指數(shù)持續(xù)10 min超過500，控制系統(tǒng)判定當前空氣質(zhì)量不可控，會點亮紅色LED和蜂鳴器發(fā)出警報。

2.4 自動呼救模塊

(1)方案選擇。就市面上的主流血壓測量方式大致有：血壓計測量、穿戴式智能設備、植入式血壓計。穿戴式智能設備是伴隨著智能機誕生的周邊產(chǎn)品。由于設計之初就已經(jīng)考慮到了大規(guī)模的應用，這使得其成本相當可觀。同時，智能穿戴設備還擁有心跳檢測功能。能較好地完成數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控任務。對于數(shù)據(jù)打包的無線連接方式，在前文3個模塊中均采用ZigBee的方式，但在研究中生命體征的數(shù)據(jù)要求較為嚴苛，包括傳輸速率要較高，數(shù)據(jù)更加復雜，采樣頻率高，故選擇了藍牙的無線連接方式，將老人的生命體征數(shù)據(jù)發(fā)送給控制系統(tǒng)。

圖7 空氣質(zhì)量程序控制流程圖

圖8 呼救模塊程序控制流程圖

(2)功能實現(xiàn)。呼救模塊程序控制流程如圖8所示。在主控程序中，直接寫入可調(diào)的心跳，通過按鍵來調(diào)整心跳數(shù)。當心跳在50～130 bpm范圍內(nèi)，主控系統(tǒng)點亮綠色的LED燈表示老人心跳正常。如果通過手動調(diào)試將心跳調(diào)整至130 bpm以上或者50 bpm以下時，系統(tǒng)會判定老人的生命體征出現(xiàn)危險，由此啟動警報。

3 結(jié)束語

經(jīng)過一系列的設計和實驗測試，本文提出了一套關于老人病房環(huán)境控制的設計方案，能在控制成本的情況下，相對自動化地對老人病房環(huán)境進行各項參數(shù)控制，如光照條件、溫度與濕度、空氣質(zhì)量等等。其中，溫度檢測范圍能達到-10 ℃～80 ℃，溫度控制精度能達到0.5分度。可為老人提供一個相對舒適安全可靠的病房環(huán)境，同時也能在一定程度上緩解醫(yī)療系統(tǒng)醫(yī)療資源緊缺的部分壓力。

同時由于成本和傳感器技術的限制，目前尚有一部分功能亟待完善，比如溫度的多地點參數(shù)獲取、空氣質(zhì)量檢測項目的數(shù)量、生命體征檢測設備的成本與舒適感等等。