基于STM32與機(jī)智云的智能蠟療機(jī)

基于STM32與機(jī)智云的智能蠟療機(jī)

摘要: 隨著物理療法在慢病治療中的效果獲得認(rèn)可, 傳統(tǒng)的石蠟療法被廣泛應(yīng)用在醫(yī)院的理療科。目前, 蠟療機(jī)的制蠟方法雖已趨于成熟, 但仍存在制蠟效率低下、功耗大、不夠智能等問題, 因此有必要對蠟療機(jī)的制蠟效率及智能化程度進(jìn)行研究。以STM32微控制器為核心, 結(jié)合G510通信模塊, 對蠟療機(jī)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);通過機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù), 對蠟療機(jī)進(jìn)行控制和通信。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 與現(xiàn)有產(chǎn)品相比, 該系統(tǒng)減少了制蠟時(shí)間、降低了蠟療機(jī)的功耗, 實(shí)現(xiàn)了蠟療機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)控制。該研究為進(jìn)一步完善蠟療機(jī)的功效提供了設(shè)備基礎(chǔ), 對蠟療機(jī)的廣泛應(yīng)用具有積極促進(jìn)作用, 對今后利用石蠟療法進(jìn)行理療大數(shù)據(jù)的挖掘與應(yīng)用具有重要意義。

0 引言

經(jīng)過優(yōu)化, 將融蠟和保溫組合在一起, 設(shè)計(jì)了具有融蠟、蠟餅保溫功能的自動(dòng)化一體機(jī)[3- 5]。其不僅大大降低了主觀因素對制蠟過程的影響, 而且在蠟餅成型的過程中使用了帶溫度傳感器的可調(diào)溫恒溫箱, 可以準(zhǔn)確設(shè)置蠟餅在使用時(shí)的溫度, 提高了熱療效果。然而蠟餅成型過程所耗時(shí)間過長, 嚴(yán)重降低蠟療機(jī)的工作效率和性價(jià)比, 同時(shí)不支持遠(yuǎn)程無線控制, 也無法支持融入物聯(lián)網(wǎng), 以及為規(guī)模應(yīng)用與醫(yī)療大數(shù)據(jù)提供支撐.

因此, 本設(shè)計(jì)在當(dāng)前熱銷智能蠟療機(jī)的基礎(chǔ)上, 通過智能化控制恒溫箱側(cè)門開閉, 以減少液體蠟餅成型時(shí)間來降低功耗;增加了物聯(lián)網(wǎng)模塊, 并使用機(jī)智云開發(fā)平臺開發(fā)了移動(dòng)客戶端控制程序, 以支持遠(yuǎn)程控制、顯示與云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享。

1 整體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要由融蠟箱、注蠟系統(tǒng)、恒溫箱、控制系統(tǒng)組成。融蠟箱是采用水融蠟原理將固體蠟融化為液體蠟的場所, 其下部的加熱棒通過加熱融蠟箱下部的水, 使與水接觸的蠟慢慢融化。水融蠟方式不僅可以增加醫(yī)用石蠟的使用壽命, 而且可以防止因加熱棒直接加熱固體蠟導(dǎo)致局部高溫而造成石蠟燃燒等意外事故的發(fā)生[7]。注蠟系統(tǒng)主要由雜物過濾器、推桿電機(jī)、注蠟管和開關(guān)閥門組成。

在注蠟階段, 液體蠟通過雜物過濾器后進(jìn)入注蠟管, 并通過打開的注蠟閥門流入相應(yīng)的蠟盤內(nèi)。恒溫箱是醫(yī)用石蠟由液態(tài)凝固為略高于人體體溫且具有可塑固體石蠟的場所。在融蠟過程結(jié)束之后、注蠟之前, 系統(tǒng)會(huì)將恒溫箱升至59 ℃左右, 防止注蠟管中凝蠟和蠟在盤中凝蠟不均導(dǎo)致的溢出[8]。控制系統(tǒng)由傳感器、控制板、工業(yè)屏幕和控制輸出部分組成。微控制器通過接收溫度傳感器、水位報(bào)警傳感器、開/關(guān)門檢測傳感器的信號, 判斷當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并作出相應(yīng)的決策。

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能蠟療機(jī)的硬件電路部分主要由STM32最小系統(tǒng)、電壓變換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、溫度傳感器、水位/開門/關(guān)門檢測器、輸出控制器電路和TTL-485信號轉(zhuǎn)換電路組成。

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路由以STM32F103C8T6為核心的微控制器和**電路構(gòu)成。該控制器是一款基于ARM Cortex- M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器, 程序存儲(chǔ)器容量為64KB, 工作電壓為2～3.6 V, 可在-40～85 ℃溫度下工作[9- 10]。其具有33個(gè)I/O接口和3個(gè)USART通信接口, 可以滿足連傳感器、控制器和G510通信模塊的需求。

2.2 供電電路設(shè)計(jì)

考慮到控制側(cè)門開關(guān)和注蠟閥門的推桿電機(jī)皆為24 V供電, 因此系統(tǒng)采用24 V供電, 并通過降壓得到12 V、5 V和3.3 V, 以滿足觸摸屏和不同芯片對電壓的需求。其中, 24 V轉(zhuǎn)12 V降壓芯片采用3 A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路LM2576- 12 V。該芯片與電容、電感組成的降壓電路產(chǎn)生的12 V電壓可以滿足為工業(yè)觸摸屏供電的要求。12 V轉(zhuǎn)5 V降壓芯片采用輸出為1 A的集成穩(wěn)壓芯片LM4805。5 V轉(zhuǎn)3.3 V采用AMS1117- 3.3 V正向低壓降穩(wěn)壓器。供電電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 供電電路設(shè)計(jì)圖

2.3 水位/開/關(guān)門檢測傳感器

智能蠟療機(jī)融蠟過程采用水溶蠟原理, 當(dāng)融蠟箱內(nèi)含水較少時(shí), 可能出現(xiàn)局部溫度達(dá)到蠟燃點(diǎn)導(dǎo)致火災(zāi)的嚴(yán)重后果, 因此需要對融蠟箱設(shè)置最低水位報(bào)警。而開門/關(guān)門檢測傳感器能夠檢測在運(yùn)行中側(cè)門的開關(guān)狀態(tài)并判斷部分運(yùn)行故障。水位檢測傳感器信號接收電路如圖3所示。

當(dāng)水位低于最低報(bào)警刻度時(shí), 傳感器輸入信號線與輸出信號線導(dǎo)通, 光電耦合器****管工作使接收二極管導(dǎo)通, 微控制器的PB5端口電位拉低, 觸發(fā)相應(yīng)外部中斷提醒融蠟箱缺水并進(jìn)行報(bào)警。開/關(guān)門檢測傳感器采用限位開關(guān)檢測側(cè)門的打開關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)側(cè)門打開/關(guān)閉后, 觸動(dòng)相應(yīng)的限位開關(guān)并使其導(dǎo)通, 其信號接收原理與水位信號接收原理一致。

圖3 水位檢測傳感器信號接收電路

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

本設(shè)計(jì)添加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路, 對融蠟溫度、注蠟盤數(shù)、注蠟時(shí)間等設(shè)置值進(jìn)行保存, 從而避免每次關(guān)機(jī)后設(shè)置內(nèi)容丟失。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片采用串行Flash存儲(chǔ)器W25Q128BV。該芯片具有引腳少、功耗低、存儲(chǔ)字節(jié)多、傳輸速度快和存儲(chǔ)靈活的優(yōu)點(diǎn), 可以實(shí)現(xiàn)蠟療機(jī)在使用過程中對各種數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記憶功能。

2.5 輸出控制電路設(shè)計(jì)

輸出控制電路由控制電路和被控制電路組成。工作時(shí), 微控制器相應(yīng)I/O口輸出低、高電平控制光電耦合器開、關(guān), 繼而控制繼電器接入電壓24 V、0 V, 使輸出端銜鐵與鐵芯吸合、斷開, 從而加熱棒、風(fēng)扇電機(jī)或推桿電機(jī)兩端存在、失去電壓, 進(jìn)而開始、停止工作。

2.6 TTL-RS-485信號轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)采用平衡發(fā)送和差分接收的傳輸方式與工業(yè)觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該通信協(xié)議可以顯著提高傳輸信號抑制共模干擾的能力。SP3485是一款低功耗半雙工收發(fā)器, 具有數(shù)據(jù)傳輸速度高 (10 Mbit/s) 、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、輸入靈敏度低 (±200 mV) 的優(yōu)點(diǎn), 可以完全滿足RS-485串行協(xié)議的要求。

2.7 G510無線傳輸接口電路設(shè)計(jì)

G510通信模塊組成的電路能夠被任何需要通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語音通話或數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)或者產(chǎn)品集成。其GSM支持四頻 850/900/1 800/1 900 MHz, GPRS 支持Class 10[11]。本設(shè)計(jì)采用G510模塊進(jìn)行無線通信, 能夠?qū)χ悄芟灟煓C(jī)進(jìn)行提升, 使之從一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品, 成為接入智能物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行云互聯(lián)的智能終端。

3 軟件開發(fā)設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)分為設(shè)備端、手機(jī)客戶端開發(fā)兩部分。設(shè)備端程序又分為工業(yè)觸摸屏驅(qū)動(dòng)控制與內(nèi)存保護(hù)單元控制兩部分。其中, 工業(yè)觸摸屏和手機(jī)客戶端部分主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互, STM32微控制器程序部分執(zhí)行命令并將各種運(yùn)行參數(shù)傳輸?shù)焦I(yè)觸摸屏和手機(jī)客戶端。

3.1 手機(jī)客戶端程序開發(fā)

本文使用機(jī)智云APP作為客戶端調(diào)試工具。該工具是機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺提供的全球首款物聯(lián)網(wǎng) (Internet of things, IoT) 設(shè)備通用調(diào)試工具[12]。本文通過例化初始化模塊、用戶模塊、配置模塊、設(shè)備列表模塊和控制模塊這五個(gè)模塊不僅實(shí)現(xiàn)了需要的功能, 并且實(shí)現(xiàn)了智能蠟療機(jī)控制、運(yùn)行數(shù)據(jù)云端保存的功能。

3.2 工業(yè)觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序與STM32微控制器程序

工業(yè)觸摸屏是進(jìn)行人機(jī)交互的方式之一, 主要用于顯示蠟療機(jī)工作運(yùn)行狀態(tài)、更改各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)和啟動(dòng)相應(yīng)的工作模式。本文采用北京迪文科技有限公司研發(fā)的基于K600+內(nèi)核所設(shè)計(jì)的智能型、圖形界面、人機(jī)系統(tǒng)軟件DGUS的工業(yè)觸摸屏。該工業(yè)觸摸屏有56 KB變量空間、8通道曲線趨勢圖寄存器、156 B配置寄存器控件、256 MB的Flash存儲(chǔ)器、任意多的觸控控件, 不僅可以實(shí)現(xiàn)變量顯示、運(yùn)算和傳輸?shù)捻憫?yīng)速度, 而且集成了DWIN OS平臺, 方便使用豐富的指令進(jìn)行二次開發(fā)。

微控制器流程圖如圖4所示。

STM32微控制器是智能蠟療機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的核心, 其控制程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

① 將融蠟箱和恒溫箱溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)接|摸屏和手機(jī)客戶端。

② 通過檢測傳感器判斷系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài), 并判斷系統(tǒng)運(yùn)行是否出現(xiàn)故障。

③ 根據(jù)觸摸屏或者手機(jī)客戶端命令執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)行模式。

3.3 設(shè)備端整體軟件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要功能有自動(dòng)運(yùn)行模式、手動(dòng)運(yùn)行模式和設(shè)置模式。

① 自動(dòng)運(yùn)行模式是智能蠟療機(jī)的主要運(yùn)行模式。不僅可以采用觸摸屏或移動(dòng)客戶端執(zhí)行自動(dòng)運(yùn)行功能, 而且可以設(shè)置每天自動(dòng)運(yùn)行的時(shí)間, 方便醫(yī)生和護(hù)士使用。

② 手動(dòng)運(yùn)行模式是自動(dòng)運(yùn)行功能的輔助功能, 可以豐富個(gè)性化醫(yī)療的實(shí)施。

③ 設(shè)置功能主要完成各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置, 包括編輯自動(dòng)模式、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置和時(shí)間段設(shè)置。編輯自動(dòng)模式的各項(xiàng)參數(shù)包括水箱加熱溫度、恒溫箱注蠟溫度、恒溫箱保持溫度、蠟餅成型溫度、注蠟盤數(shù)、注蠟時(shí)間, 主要用于設(shè)置手動(dòng)運(yùn)行模式和每天早上自動(dòng)開機(jī)運(yùn)行自動(dòng)模式時(shí)所需要的各項(xiàng)參數(shù)。系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置主要是設(shè)置當(dāng)前日期和時(shí)間。時(shí)間段設(shè)置主要用于設(shè)置每天自動(dòng)開機(jī)時(shí)間、自動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)間和自動(dòng)開機(jī)后是否運(yùn)行自動(dòng)模式 (模式1為運(yùn)行自動(dòng)模式, 模式0為開機(jī)水箱只加熱) 。

自動(dòng)運(yùn)行模式流程圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)運(yùn)行模式流程圖

3.4 現(xiàn)場應(yīng)用

本設(shè)計(jì)的智能蠟療機(jī)在盤錦市某醫(yī)院理療科進(jìn)行了4個(gè)月的試運(yùn)行。傳統(tǒng)蠟療機(jī)和智能蠟療機(jī)每天分別制蠟30盤、運(yùn)行12h、待機(jī)12h。記錄其平均制蠟時(shí)間、石蠟壽命和功耗, 如表1所示。

由表1可以看出, 蠟療機(jī)的平均制蠟時(shí)間由原來的4h縮減到2h。其主要原因是在蠟餅成型階段, 液體蠟進(jìn)入恒溫箱后引起恒溫箱溫度上升,封閉的恒溫箱使得溫度下降緩慢。傳統(tǒng)制蠟技術(shù)忽略這一特性使得蠟餅成型過程較長, 而智能蠟療機(jī)通過控制側(cè)門的不斷開閉使恒溫箱溫度快速降低,從而減少蠟餅成型時(shí)間。

醫(yī)用石蠟的使用壽命由原來的兩個(gè)月增加到三個(gè)月, 蠟療機(jī)功耗降低了40%。其主要原因是智能蠟療機(jī)在非制蠟狀態(tài)下, 水箱采用間歇性加熱技術(shù), 使石蠟溫度始終略高于最低熔點(diǎn)溫度, 不僅降低了設(shè)備功耗, 而且延長了石蠟使用壽命。

4 結(jié)束語

通過在醫(yī)院的實(shí)際推廣應(yīng)用, 本文設(shè)計(jì)的智能蠟療機(jī)得到了較好的效果。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明, 蠟療機(jī)的平均制蠟時(shí)間由原來的4h縮減到2h, 縮短了50%;醫(yī)用石蠟的使用壽命由原來的兩個(gè)月增加到三個(gè)月,石蠟壽命延長了1.5倍,且功耗降低了40%。智能蠟療機(jī)減少了患者的等待時(shí)間和醫(yī)療成本, 節(jié)省了醫(yī)護(hù)人員的操作時(shí)間及操作難度。因此, 此蠟療機(jī)具有很好的應(yīng)用前景。

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