吴春华，孙 瑜

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京210014）

多功能护理床远程控制系统的设计

吴春华，孙 瑜

（南京理工大学 自动化学院，江苏 南京210014）

为方便病人家属和医护人员远程操作护理床并了解病人身体状况，设计了一种基于WiFi通信的多功能护理床远程控制系统。该系统中，手机终端可远程控制护理床的动作并获取病人的基本生命体征数据。采用了C/S架构和TCP/IP通信模式，护理床通过ESP8266 WIFI模块联网，手机终端和护理床都作为客户端访问服务器。护理床主控制器采用的是STM32F401 Nucleo开发板，客户端和服务器程序编写用的是Qt5.4。测试结果表明，护理床可准确执行手机终端命令的动作。

护理床；远程控制；WiFi通信；STM32F401 Nucleo

21世纪是人口老龄化的时代[1]，目前，中国老年人口数量和老年人口发展速度都已达到世界之最[2-3]。社会人口的老龄化给我国养老行业和医疗护理行业提出了严峻的考验。而不论在医院、养老院还是家庭中，多功能护理床[4-5]都发挥着越来越重要的作用。国内外很多学者对多功能护理床乃至智能护理床都进行了深入的研究[6-9]。目前国内使用的主要是机械手摇式护理床和电动护理床，它们能很好地帮助大部分老人。但对于重度失能老人，医护人员和家属必须在旁边操纵护理床，完成坐立、翻身等动作，医护人员还是有很大工作量，家属要照顾老人也不能自由出入。同时，随着电子技术的发展，各种生命体检测模块[10-11]的出现，使实时监测病人身体状况成为可能。文中设计了一种护理床远程控制方案，用户可通过手机或PC客户端连接服务器，遥控护理床使之实现坐立、抬腿、翻身、冲洗等功能，并获取病人的心率、体温、血压等基本生命体征数据。既实现了远程控制功能，也方便系统对护理床进行集中管理。

1 系统的总体结构设计

图1 系统总体结构图

系统总体结构如图1所示。手机和PC终端通过GPRS或WiFi网络连接远程服务器，护理床也通过无线WiFi与服务器相连。每台护理床都有唯一的物理地址称为MAC地址，手机和PC终端接入系统时通过护理床MAC地址来确定它所要连接的护理床。同时，该终端也被设置一个MAC地址，且与之连接的护理床的MAC地址一致，以便信息交互时的寻址。配对的终端和护理床就可通过服务器相互发送信息，这些信息包括终端发出的控制命令和护理床回复的生命体征数据。

2 基于WiFi的通信方案

在通信方案中，护理床是通过无线WiFi连网的。WiFi能将网络产品以无线的方式相互连接，具有接入简单，传输速率高，覆盖范围广等优点[12-13]。WiFi通信方案结构框图如图2所示：

图2 基于WiFi网络的远程通信方案框图

2.1 WiFi模块的选择

WiFi模块选择的是ESP8266。ESP8266是专为移动设备、可穿戴设备及物联网设计的的WiFi网络解决方案，它集成度高，且功耗低，可以搭载其它软件应用作为设备中唯一应用处理器，也可以很方便地嵌入到任何基于微控制器的设计中。文中就是将ESP8266嵌入到基于STM32F401 Nucleo的系统中，负责WIFI连网，为STM32F401 Nucleo接收、转发数据。

2.2 通信协议和模型的选择

通信协议选择的是TCP/IP协议[14-15]。TCP/IP协议，即传输控制协议/因特网互联协议，是一种可靠的传输协议，三次握手。同时，TCP/IP协议不依赖于任何特定的计算机硬件或操作系统，也不依赖于特定的网络传输硬件，开放性好。

通信模型选择的是基于TCP/IP协议的C/S模型，即客户端/服务器模型，是用户请求服务，服务器提供服务的一种应用，具有服务器负荷小，响应速度快的优点。

文中，手机和PC终端与服务器间，以及护理床和服务器间都是C/S模式。终端将控制命令发给服务器，由服务器转发给护理床；护理床收到命令后执行相应的动作并将病人的生命体征数据发给服务器，由服务器转发给终端。

2.3 通信协议的设计

通信过程中的每条信息都是以16进制数组的形式发送的，信息的第一个字节保存的是该信息的字节数。通信协议的具体内容如表1所示。

表1 通信协议设计

3 控制器部分的设计

控制器的设计如图3所示：

图3 控制器设计

主控制器采用STM32F401 Nucleo核心板，负责护理床各个动作的控制、生命体征数据的检测以及无线通信控制。STC15F2K60S2单片机主要控制冲洗相关动作。护理床各个动作的变换包括坐立、躺下、左右翻身、开盖和关盖（便盒的上升和下降），这些动作依靠5个电动推杆实现 （推杆的动作依靠的是有刷直流电机），推杆可以往复运动，当一个动作到达指定位置时，护理床上的限位开关会发信号给主控制器以停止推杆的运动。生命体征数据的检测包括体温、心率和血压，这些数据是通过体温检测模块、动态血压检测模块和脉搏检测模块获得的。冲洗相关动作包括臀部清洗、女性清洗、烘干、调节，由STC15F2K60S2控制相应的动作。当手机或PC控制终端发出指令时，服务器将指令通过WiFi模块传给主控制器。主控制器发送指令或信号到相应模块，主控制器获得的数据也会传回给终端。

4 客户端/服务器端程序编写

软件程序的编写，文中用的是qt5.4。qt5.4支持android，使得开发的客户端程序可在android手机和平板上运行。文中采用QTcpServer类编写服务器端程序，QTcpSocket类在服务器端口监听，一旦发现客户端有连接请求，就建立socket连接。程序流程图如图4所示。

图4 软件程序流程图

护理床和手机终端都作为客户端，向服务器请求服务。由于客户端的IP各不相同，服务器需要监听所有IP，当有连接请求时，服务器就创建一个新的tcpsocket连接并放入vector中，vector的下标即为tcpsocket连接的mark标识。服务器用bed_mac[]、controller_mac[]这两个数组分别记录护理床和控制终端的MAC地址所对应的tcpsocket连接的mark标识，以便在服务器转发信息时通过MAC找到相应的tcpsocket连接。当客户端离线时，就删除vector中对应位置存储的tcpsocket连接，并将值设为NULL，当有新的连接请求时，创建新的tcpsocket连接，取代vector中值为NULL的位置。理论上，护理床不会主动离线，服务器也不会轻易关闭。

手机终端最终app界面组成如图5所示，用户界面即主界面包括用户连接、床体动作、日常清洗、体征检测4个部分。用户连接部分包括输入服务器的IP地址和端口号的方框以及连接/断开按钮，床体动作部分包括各个动作的按钮，日常清洗和体征检测部分组成也与床体动作部分类似。

图5 终端app用户界面功能组成图

5 系统测试

系统完成后，我们用手机和平板终端app测试了远程控制的各个功能效果，测试结果表明：终端可通过数据流量和WIFI在省外控制护理床的各个动作；操作时可点动按钮也可长按按钮；系统操作安全，不会有护理床动作到位后终端继续发送命令导致系统损坏的情况。总之，系统能很好地实现远程控制护理床的功能。图6测试的是用app控制护理床左右翻转；图7显示的是用手机app远程获取生命体征数据。

图6 左右翻转测试

图7 生命体征数据监测测试

6 结 论

文中设计的护理床远程控制方案可用于医院、养老院，对病人进行集中管理；也可用于普通家庭中，方便病人家属更好地照料病人的生活。1）在服务器承载能力足够的情况下，可容许上万台护理床同时在线，扩展性好；2）手机终端的接入灵活，可随机选择与哪个护理床配对；3）可用于医疗方面对病人体征数据的大数据处理。总之，该方案有很广阔的应用前景。

当然，文中还存在很多不足，如：1）对病人体征数据的检测项目比较简单，不够细致；2）终端和护理床都连接服务器，服务器的负担较重。这些都还需要做进一步研究。

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The design of a remote control system of multi-function nursing beds

WU Chun-hua，SUN Yu
（School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210014，China）

To make remote operation of nursing beds and medical staffs acquainted with patients' physical condition easily，this paper designs a nursing bed remote control system based on WiFi communication.In which，nursing beds could be controlled remotely by mobile terminal and patients' basic physiological information data can be obtained.STM32F401 Nucleo is the main controller.C/S architecture and TCP/IP communication model are chosen.Nursing beds connect to the Internet through ESP8266 WIFI module.Mobile terminals and nursing beds can access server as clients.STM32F401 Nucleo is the main controller.Client and server program is written with Qt5.4.Test results show that nursing beds can execute command from terminal accurately.

nursing bed；remote control；WiFi communication；STM32F401 Nucleo

TN99

：A

：1674-6236（2017）08-0171-04

2016-03-30稿件编号：201603409

吴春华（1993—），女，河南信阳人，硕士研究生。研究方向：嵌入式系统。