便携式智能脐疗艾灸仪设计

2022-10-30邵海燕韩兆翠马玉真

机电产品开发与创新 2022年5期

邵海燕，耿超，韩兆翠，韩青，王娜，马玉真

（济南大学机械工程学院，山东济南 250022）

0 引言

艾灸属于中医范畴，在中国已有上千年的历史，是一种外治方法，其治疗效果已经被无数临床实践所验证[1-2]。脐通五脏六腑，与全身经脉相连通，是人体的黄金分割点[3]。脐疗[4]是将药物做成适当剂型（糊、散剂/粉、药丸、药膏等）敷于脐部，或在脐部给以某些物理刺激（如艾灸、针刺、拔罐等）以治疗疾病的方法。脐疗艾灸就是在脐部进行艾灸治疗，目前临床上常见的方法是利用湿润的面团作为支撑燃烧的艾柱的支架，同时起到隔热效果。山东中医药大学附属医院现在临床使用医疗效果佳，但是也存在着一些不足，如：艾绒燃烧时，产生刺激性气味较大的浓烟；温度不可控易，患者易被烫伤；需要专门医师照看；经验为主，难以量化等。电子艾灸仪就是在这种情况下出现的，它属于温灸器灸，即用专门制作的灸疗器械进行艾灸。现有的艾灸仪大致分为两类：一种是体型较大、带有温热探头等的多功能艾灸仪[5]，一种是体型较小、便于随身携带的艾灸盒。

本文设计了一款便携式智能脐疗艾灸仪，总体包括五部分。第一部分结构设计介绍了电子脐疗艾灸仪的结构设计和组成。第二部分硬件电路设计，对传感器和人机交互等进行了设计。第三部分程序设计，主要包括数据传送和按键控制等，并完成了微信小程序开发。第四部分实验，基于PID 控制算法实现对温升和温降曲线的控制。最后部分是结束语。

1 结构设计

1.1 整体结构

基于传统的脐疗艾灸方法，从功能化、智能化、便捷性和轻量化角度出发，设计了一种电子脐疗艾灸仪，整体结构见图1。所提出的中医脐疗智能艾灸仪的结构[6-7]大致分为上盖部分、加热核心部分、底盘部分、外壳。上盖部分主要包括上盖、显示屏版、按键垫、主电路板（包含按键、显示屏、锂电池）。加热核心部分主要包括隔热架、风机、加热膛、上下加热片、上下隔热罩、加热盘、把手、风道盖、把手架、强磁、导流罩。底盘部分主要包括底盘、体温传感器、近皮肤温度传感器、硅胶垫、红外线灯、广角摄像头。其中广角摄像头固定在导流罩顶部中间安装梁上，便于对皮肤的状况进行实时监测。

图1 脐疗艾灸仪结构示意图

1.2 加热部分结构

根据文献和实验知，不断升温的过程中，艾饼中的药性成分得到改变，低于150℃的温度加热就不会产生艾烟[8-9]。在此温度范围内加热，药粉的药效也能发挥作用。设计中的加热部分主要由发热内膛、加热片和药盘组成，见图1。发热内膛采用纯铜材质，热导率大，减少热量损失；药盘采用铝合金材质，升温降温快，在对要药盘里的艾饼加热时减少热量传递时间。从一侧抽出药盘，将由艾草粉末和药粉压制而成的饼状物放置其中，再将其推入后，手柄和轨道的一对强磁吸合，防止药盘滑动，同时霍尔传感器检测药盘的位置，意外滑出后立即停止加热，保证安全可靠性。加热片采用圆形MCH高温陶瓷加热片，表面积较小且加热效率高、机械强度高，绝缘性好，不易破损；内部采用高密度钨浆印刷发热材质，加热迅速且更加均匀。

2 硬件电路设计

2.1 硬件整体构成

脐疗艾灸仪的硬件整体原理框图见图2。主控芯片采用STM32F103C8T6 芯片，电源模块采用IP5328P 电源管理芯片，WIFI 模块采用ESP8266-12F，传感器包括温度传感器、温度传感器和霍尔传感器，人机交互模块包括LCD 液晶显示屏、四个实体按键、蜂鸣器，其他外设包括加热片、风机、红外线灯。在整个硬件系统中，主控芯片用来存储PID 算法和必要程序并控制其它模块，WIFI 模块通过WIFI 连接网络与百度天工云双向通信，以此来建立微信小程序和脐疗艾灸仪的无线连接，类似于人的感觉器官，用来感知外界信息。

图2 硬件整体原理框图

2.2 控温防烫

设计采用精度为±0.1℃的TMP117 温度传感器测量皮肤温度和近皮肤温度，该传感器可通过I2C 与STM32进行通信。选用分辨率为0.25℃的MAX6675 作为测量加热核心的温度传感器，测量范围为0℃～1023.75℃，通过SPI 与STM32 进行通信，防止因程序故障而导致对加热片加热控制失灵，同时也为后续的艾灸实验提供温度数据。

皮肤温度和近皮肤温度传感器分布见图3，近皮肤温度测量值作为PID 控温的输入。皮肤灸温在44～48℃＜50℃温度区间是艾灸取得疗效的关键[10]，因此温度应保证在此温度区间变化，以此保证防止烫伤使用者和使艾灸效果最佳。

图3 温度传感器分布图

2.3 药柄位置检测

设计选用AH3144 霍尔传感器，检测药盘位置及是否拉出。在药盘把手上装有强磁，位置变化会改变霍尔传感器附近的磁场。当磁铁的S 极靠近传感器时，霍尔传感器的引脚就会输出低电平的数字信号，当远离传感器时输出高电平数字信号。根据磁场的变化就能判断出药盘的位置，防止在加热时药盘未推入，而导致加热片空热造成危险。

3 程序设计

3.1 整体程序结构

主控STM32 采用Keil uVision5 的开发环境[11]。在调试和仿真程序时，采用STLINK 仿真器。主程序流程图见图4。 WIFI 模块采用ESP8266-12F，通过串口与STM32 进行通讯，将采集到的温度数据、工作状况等通过TCP MQTT 发送到百度天工云服务器并接收微信小程序，通过WebSocket MQTT 发送到百度天工云的指令并将其发送到主控，最终实现对温度的监测和指令下达的双向通信。

图4 主程序流程图

3.2 微信小程序设计

用户端微信小程序设计选用小程序调试模式，简单、高效，可以缩短设计周期。设计的操作界面（图5）包括显示部分和操作部分。显示部分上方的是当前温度和加热定时时长，字体颜色为红色，显眼醒目，其下方的数值自左向右分别为设定温度、当前电量，这些数据与艾灸脐疗仪的显示屏的显示数据是同步的。操作部分有五个按键，左侧上方为温度增加键，其下方是是温度减少键，右侧上方是定时增加键，其下方是定时减少键。中间是电源键，通过电源键可以一键关机，同时为防止误触，增加关机提醒。五个控制按键的上方为订阅主题按键，实现百度天工云服务器到微信小程序的数据回调，下方是获取位置按键，获取手机的位置后将经、纬度发送到STM32 单片机进行真太阳时的计算。

图5 微信小程序界面图（手机截屏）

4 实验及结果分析

4.1 控制算法及参数计算

控温算法采用增量式PID 算法[12]。在完成硬件连接、程序设计后对其进行PID 参数整定，保证工作时可以快速、准确、稳定地控温。PID 参数整定方法有临界比例度法、试凑法、遗传算法[13-14]等，本设计选用试凑法。经多次实验，计算得到：整定比例系数、整定积分时间常数和整定微分时间常数分别为。温升和温降的时间-温度曲线见图6。设定加热温度为46℃，系统能在20s 左右升至设定温度，最大超过设定值1℃左右；到达设定温度后停止加热，近皮肤温度传感器检测到的温度能在120s 左右降至室温20℃，满足系统设计要求。