CN105049511A - 一种压力分布式传感器及其智能病床监控系统和监控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力分布式传感器及其智能病床监控系统和监控方法。针对于长期卧床的病人，可以利用手机、平板电脑等终端帮助病人实现起背、翻身、曲腿等一系列运动，可以根据压力分布式传感器得到的数据提醒病人翻身，预防慢性压疮的产生，并且可以利用摄像头监视病人的状态。本系统由电动病床、Arduino、惯性传感器、压力分布式传感器、树莓派、摄像头、服务器和Web端构成。惯性传感器可以得到病床的姿态角度，并将角度数据发送给树莓派，实现直线电机的反馈控制。树莓派作为单个智能病床的数据终端，而服务器则作为多台智能病床的数据控制终端，通过Web端可以对病床进行实时控制以及对病人的生理状态以及智能病床的状态进行监视。
Description
技术领域
本发明属于医疗设备领域，涉及一种压力分布式传感器及其智能病床监控系统和监控方法，具体涉及惯性传感器、压力分布式传感器分别在检测病床运动状态和人体压力分布的应用。
背景技术
医用病床是一种用于医院病房内提供承载患者的设备。部分医用病床可以通过外力改变姿态达到辅助调整患者体位的目的,其中有些附件具有促进患者康复的效果。不同种类医用病床各有优势,但随着人们对医疗保障的需求,病床在不失安全性的前提下逐渐复杂化。
虽然我国有很多企业在生产医疗器械,但是我国基层医疗装备(包括医用病床)仍然堪忧。当前社区、农村医疗器械匮乏,整体水平不高。即使在大城市的郊区也有相当一部分乡镇卫生院的医疗器械与仪器的状况令人担忧。基层医疗卫生机构的医疗器械和设备中,大约有15%是二十世纪七十年代前后的产品,有60%是八十年代中期以前的产品。医用病床在国内的发展从相对滞后到与世界接轨,由于发展时间短更新换代不完全,使得市场上充斥着各种阶段的医用病床。这其中有不可移动的板床、手动床、电动病床等。
板床是一种价格低廉的产品。该产品设计简单、便于维修、安全性高。它可以通过增加预设附件达到增加附加功能的目的。虽然它技术含量低、对患者的帮助较少等缺点,但还是有一定市场。板床在病房中使用多为临时加床或未及时更新换代的产品。
手动床是一种相对低端的产品。通过手摇丝杠、手扳气动阀门等驱动床板改变角度的方式帮助患者调整体位。这一功能的增加弥补了板床对患者帮助较少的缺点。手动床所要求的工业能力及制造工艺并不难,这为降低批量生产的门槛起着至关重要的作用。目前我国生产的手动床不仅在逐步替换医院中使用的板床,而且还有很多以家庭病床的形式流入社区或出口国外，现在普通医院大部分是这种类型的病床。
电动病床是相对高级一些的产品。它大都是使用电动推杆代替丝杠工作,并使用电动控制,省时省力。由于电控制的特点,控制键可以安装在任何允许病床接受到信号的范围内。这大大的提高了控制自由度,并且通过附件的升级,还可以实现权限分配的可能。电动驱动产品精度更高,便于流水线作业。由于对生产场地、原材料供应、生产工艺、人员素质等都有高的要求,生产成本较高,在医院中作为普及型病床还需要一定的投资,但是它已经作为ICU重症监护室、手术室、造影室等特种医用病床使用。
本发明是普通电动病床的升级版，将普通电动病床接入到互联网，任何一台能联网的电脑或手机都能对病床进行操控，将医用病床作为医疗基础设施中的一个角色,必然要经历优胜劣汰的过程,只有本着保持性能、低廉价格、保质期长、操作简单的设计理念进行研发,产品才会有持久的市场竞争力。期待看到医疗基础设施更安全、更有效、更廉价,使越来越多的人都能享受到更好的医疗服务及设备。
发明内容
本发明的目的在于建立一个病床管理平台，将一个医院众多的病床进行统一有效的管理，对病人的生理状态进行直接有效的监测，方便医生和护士及时了解病人的身体状况。
本发明采用的技术方案如下：
一种压力分布式传感器包括压感导电材料、梳状电极、PCB板、74HC138芯片和CD4067芯片，所述的74HC138芯片和CD4067芯片位于PCB板下方，梳状电极焊接在PCB板上，所述的压感导电材料覆盖在所述的焊有梳状电极的PCB板上，所述的梳状电极以行和列的排列方式均匀分布在所述的PCB板上，压感导电材料与每个梳状电极构成一个可变电阻，其阻值随压力改变而变化，一个梳状电极即为一个压力采集点，所述的压力采集点与CD4067芯片电连接，所述的74HC138芯片与CD4067芯片电连接。
所述的压力分布式传感器内的CD4067芯片个数为6个，所述的74HC138芯片个数为一个，所述的梳状电极的个数为96个。
一种基于嵌入式的智能病床监控系统包括电动病床、服务器、Web端、树莓派、Arduino、摄像头、惯性传感器和权利要求1所述的压力分布式传感器；电动病床中设有控制器和电机，用于调整病床的姿态；Web端与服务器相连，服务器按照TCP/IP协议通过网络与树莓派相连，树莓派与Arduino、摄像头、惯性传感器相连，压力分布式传感器和控制器分别与Arduino连接，控制器与电机相连；压力分布式传感器安装于病床床板上方，惯性传感器共3个，设置于病床的患者起背区域；摄像头安装于床头；
Web端用于人机交互；服务器用于对Web端的数据支持，同时与树莓派之间进行数据交换；摄像头的图像数据和Arduino处理后的压力分布式传感器数据通过树莓派发送至服务器；惯性传感器获取得到的数据通过树莓派分别发送给Arduino和服务器；Web端的控制指令通过服务器、树莓派、Arduino发送给控制器。
所述的控制器包括AT89C51单片机和继电器。
所述的电机为直线电机，共有4台，分别控制电动病床的背部运动、翻身运动、便盆开关以及曲腿运动。
所述的系统的基于嵌入式的智能病床监控方法是，
1）当病人以同一姿势长时间躺在病床上，通过安装在病床上的压力分布式传感器检测病人身体长时间受压区域的压力大小和时间，当压力大小和时间达到设定阈值时，监控系统会提醒病人及时翻身以免皮肤组织长时间受压产生慢性压疮；
2）Web端设置了电动病床的控制按键，病人躺在床上只要通过Web端登录服务器就可以摆脱对病床遥控器的依赖直接通过Web端实现对病床姿态的调整以满足自身的需要；当有按键按下，控制信号通过服务器发送给树莓派，树莓派通过串口通讯的方式发送给Arduino，Arduino先判断控制信号再将控制命令发送给AT89C51，AT89C51再通过控制继电器的通断控制对应直线电机的运行，从而实现病床姿态的调整；
3）监控系统装有摄像头，摄像头通过USB接口与树莓派相连，摄像头每隔一段时间采集的图像数据发送个树莓派，树莓派再通过以太网把图像数据发送给服务器，医护人员通过登录服务器可以及时通过摄像头采集的图像数据对病人的状态进行监护；
4）安装在床板上的惯性传感器实时检测病床的姿态，惯性传感器把检测的角度数据反馈给树莓派，实现病床的反馈控制，限制病床姿态调整的极限位置，避免病人在误操作时发生危险。
所述的每一张电动病床有一个固定的IP，在Web端可以录入病人的相关个人信息，数据保存在服务器中，并且在Web端上可以添加新的病床，只要绑定一个IP就可以将病床与服务器相连，通过服务器可以管理多个病床，满足医院对众多病人的监护。
本发明监测系统的特点：
1.采用惯性传感器测量相应监测点的运动角度，惯性传感器安装在病床的床板上，会随着床板的运动而运动，惯性传感器单元再将数据通过无线网络传给树莓派。树莓派作为单台病床的数据中心再将病床的状态信息上传至服务器，服务器再通过Web端显示相应的数据。
2.采用压力分布式传感器测量病人躺下时背部的压力分布，根据同一部位的受压时间和压力大小提醒病人翻身以免皮肤长时间受压导致组织受损。
3.服务器与树莓派之间采用TCP/IP协议，保证了服务器和树莓派之间通讯的可靠性和安全性。
4.采用串口通讯，树莓派和Arduino之间采用串口通讯，实现了树莓派和Arduino之间正常的数据通讯。
5.在智能病床的床头安装了摄像头，可以实时监测病人的状态，及时发现可能发生的紧急情况。
附图说明
图1为本发明的压力分布式传感器梳状电极结构示意图；
图2为本发明的压力分布式传感器结构示意图；
图3为本发明的梳状电极分布示意图；
图4为压力分布式传感器的CD4067芯片示意图；
图5为压力分布式传感器的74HC138芯片示意图；
图6为本发明的基于嵌入式的智能病床监控系统结构示意图；
图7为本发明的控制器指令示意图；
图8为本发明的服务器与电动病床IP绑定流程示意图；
图9为本发明的基于嵌入式的智能病床监控系统监控流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1至图3所示，一种压力分布式传感器，其特征在于包括压感导电材料、梳状电极、PCB板、74HC138芯片和CD4067芯片，所述的74HC138芯片和CD4067芯片位于PCB板下方，梳状电极焊接在PCB板上，所述的压感导电材料覆盖在所述的焊有梳状电极的PCB板上，所述的梳状电极以行和列的排列方式均匀分布在所述的PCB板上，压感导电材料与每个梳状电极构成一个可变电阻，其阻值随压力改变而变化，一个梳状电极即为一个压力采集点，所述的压力采集点与CD4067芯片电连接，所述的74HC138芯片与CD4067芯片电连接。
本实施例中，所述的压力分布式传感器内的CD4067芯片个数为6个，所述的74HC138芯片个数为一个，所述的梳状电极的个数为96个。
压力分布式传感器用于检测人体的压力分布，由压感材料和梳状电极组成，压感材料是一种压力敏感型的材料，当受压时受压部分材料的电阻会变小，利用这一特性可以用来做压力分布式传感器。每一个树状电机就是一个采集点，为了准确地测量人体的压力分布，需要分布众多的采集点，如果每个采集点的端口直接与Arduino模拟端口相连，这样就会导致Arduino的端口不够。
本实施例中采用16位的数字开关芯片CD4067，CD4067芯片如图4所示，这样Arduino的模拟端口就可以分时复用，CD4067芯片有一个片选口和四个位选口，片选口为低电平时该芯片即为选通，为高电平时即未被选通，四个位选口高低电平组合就可以控制16个通道。目前设计的压力分布式传感器的采集点为96个，每一个CD4067芯片可以控制16位通道，所以共有6个CD4067芯片。如果由Arduino的数字端口直接连CD4067的片选口，这样也会浪费Arduino的端口，这里我们采用38译码器74HC138芯片控制CD4067的片选，这样就大大减少了Arduino端口的使用，在系统中可以添加更多的传感器。74HC138芯片如图5所示。
如图6所示，本发明的基于嵌入式的智能病床监控系统包括电动病床、服务器、Web端、树莓派、Arduino、摄像头、惯性传感器和权利要求1所述的压力分布式传感器；电动病床中设有控制器和电机，用于调整病床的姿态；Web端与服务器相连，服务器按照TCP/IP协议通过网络与树莓派相连，树莓派与Arduino、摄像头、惯性传感器相连，压力分布式传感器和控制器分别与Arduino连接，控制器与电机相连；压力分布式传感器安装于病床床板上方，惯性传感器共3个，设置于病床的患者起背区域；摄像头安装于床头。
Web端用于人机交互；服务器用于对Web端的数据支持，同时与树莓派之间进行数据交换；摄像头的图像数据和Arduino处理后的压力分布式传感器数据通过树莓派发送至服务器；惯性传感器获取得到的数据通过树莓派分别发送给Arduino和服务器；Web端的控制指令通过服务器、树莓派、Arduino发送给控制器。
所述的控制器包括AT89C51单片机和继电器。
本电动病床共有4台直线电机，分别控制病床的背部运动、翻身运动、便盆开关以及曲腿运动，单片机通过控制继电器的通断进而控制不同驱动器使得相应的直线电机运行，单片机通过判断四位输入端口的高低电平组合发出不同的指令控制电机的运行，具体的控制指令如图所示。
如表1所示，单片机的四位输入端P2.4，P2.5，P2.6，P2.7直接和遥控器的输出端相连，不同键按下会有不同的指令输出，单片机收到指令后发出对应的电机控制指令控制继电器，从而对应的电机运行完成相应的功能。
表1
为了实现远程控制，在原有51单片机的基础上增加了Arduino和树莓派，树莓派通过以太网与服务器通讯，Arduino作为新增的控制器，用于给51单片机发送远程控制的指令以及传感器的数据采集。为了隔离Arduino发送的指令和遥控器发送的指令，设计了隔离电路，如图7所示。P2.4，P2.5，P2.6，P2.7即为51单片机的对应端口，10,11,12,13即为Arduino的对应的数字端口，在没有加信号隔离电路之前，Arduino的数字端口直接连51单片机的P2.4，P2.5，P2.6，P2.7，这样就使得遥控器的功能失效了，因为远程控制使电机停止四个端口都为高电平，无论遥控器按什么键四个端口一直都是高电平，所以遥控器的功能就失效了。加入信号隔离电路后，因为Arduino的数字端口和51单片机的输入端口中间有二极管，使得当Arduino的输出端为高电平时，遥控器依然可以使对应的51单片机端口为低电平，从而达到隔离的效果。
所述的系统的基于嵌入式的智能病床监控方法是，
1）当病人以同一姿势长时间躺在病床上，通过安装在病床上的压力分布式传感器检测病人身体长时间受压区域的压力大小和时间，当压力大小和时间达到设定阈值时，监控系统会提醒病人及时翻身以免皮肤组织长时间受压产生慢性压疮；
2）Web端设置了电动病床的控制按键，病人躺在床上只要通过Web端登录服务器就可以摆脱对病床遥控器的依赖直接通过Web端实现对病床姿态的调整以满足自身的需要；当有按键按下，控制信号通过服务器发送给树莓派，树莓派通过串口通讯的方式发送给Arduino，Arduino先判断控制信号再将控制命令发送给AT89C51，AT89C51再通过控制继电器的通断控制对应直线电机的运行，从而实现病床姿态的调整；
3）监控系统装有摄像头，摄像头通过USB接口与树莓派相连，摄像头每隔一段时间将采集的图像数据发送个树莓派，树莓派再通过以太网把图像数据发送给服务器，医护人员通过登录服务器可以及时通过摄像头采集的图像数据对病人的状态进行监护；
4）安装在床板上的惯性传感器实时检测病床的姿态，惯性传感器把检测的角度数据反馈给树莓派，实现病床的反馈控制，限制病床姿态调整的极限位置，避免病人在误操作时发生危险。
所述的每一张电动病床有一个固定的IP，在Web端可以录入病人的相关个人信息，并且在Web端上可以添加新的病床，只要绑定一个IP就可以将病床与服务器相连，通过服务器可以管理多个病床，满足医院对众多病人的监护。
通讯实现，树莓派和服务器采用TCP/IP通讯，服务端监听端口，树莓派发起连接请求，服务器接受请求，并保存Socket实例。树莓派解析下位机数据，并实时以JSON的数据格式发送至服务器。具体流程参考图8和图9。
病床端实现，树莓派采集下位机数据，分析后通过TCP/IP以JSON的数据格式发送至服务端指定端口。并且监听服务端指令，发送给下位机，以控制病床。
服务端实现，开发工具：VisualStudio2013或者monodevelop，通过mono实现跨平台，目前服务器运行在ubuntuserver14.04上。
服务端实现TCPServer，接收树莓派的连接请求，并保存Socket实例。接收树莓派上传的JSON数据，解析后存入数据库，并与WEB端实时显示。服务器采用Nancy框架实现WEB端的访问，WEB点击病床控制指令，反馈到服务端，由服务端转发给树莓派，从而控制病床。
WEB前端实现，网页使用Bootstrap前端框架快速实现网页的布局，表格等，数据显示采用ECharts，通过webapi的方式获取后台数据。
树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD卡为内存硬盘，卡片主板周围有四个USB接口和一个网口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。树莓派B款只提供电脑板，无内存、电源、键盘、机箱或连线。
树莓派与服务器之间是按照TCP/IP协议进行连接以实现双向传送数据，物理连接方式是将树莓派通过网线与路由器连接，在树莓派中运行连接脚本程序实现树莓派与服务器的TCP连接，在本程序中除了实现TCP/IP连接外，还要实现接收Arduino发送的压力数据，并将接收的压力数据按照相应的顺序发送给服务器。当Web端有控制键按下时，服务器将对于的控制信号发送给树莓派，树莓派再将控制信号发送给Arduino，Arduino接收到控制信号后再将对应的控制命令发送给电机控制器从而控制电机运行，实现病床对应的姿态调整。
Claims (7)
1.一种压力分布式传感器，其特征在于包括压感导电材料、梳状电极、PCB板、74HC138芯片和CD4067芯片，所述的74HC138芯片和CD4067芯片位于PCB板下方，梳状电极焊接在PCB板上，所述的压感导电材料覆盖在所述的焊有梳状电极的PCB板上，所述的梳状电极以行和列的排列方式均匀分布在所述的PCB板上，压感导电材料与每个梳状电极构成一个可变电阻，其阻值随压力改变而变化，一个梳状电极即为一个压力采集点，所述的压力采集点与CD4067芯片电连接，所述的74HC138芯片与CD4067芯片电连接。
2.根据权利要求1所述的一种压力分布式传感器，其特征在于所述的压力分布式传感器内的CD4067芯片个数为6个，所述的74HC138芯片个数为一个，所述的梳状电极的个数为96个。
3.一种基于嵌入式的智能病床监控系统，其特征在于，包括电动病床、服务器、Web端、树莓派、Arduino、摄像头、惯性传感器和权利要求1所述的压力分布式传感器；电动病床中设有控制器和电机，用于调整病床的姿态；Web端与服务器相连，服务器按照TCP/IP协议通过网络与树莓派相连，树莓派与Arduino、摄像头、惯性传感器相连，压力分布式传感器和控制器分别与Arduino连接，控制器与电机相连；压力分布式传感器安装于病床床板上方，惯性传感器共3个，设置于病床的患者起背区域；摄像头安装于床头；
Web端用于人机交互；服务器用于对Web端的数据支持，同时与树莓派之间进行数据交换；摄像头的图像数据和Arduino处理后的压力分布式传感器数据通过树莓派发送至服务器；惯性传感器获取得到的数据通过树莓派分别发送给Arduino和服务器；Web端的控制指令通过服务器、树莓派、Arduino发送给控制器。
4.根据权利要求3所述的一种基于嵌入式的智能病床监控系统，其特征在于，所述的控制器包括AT89C51单片机和继电器。
5.根据权利要求3所述的基于嵌入式的智能病床监控系统，其特征在于，所述的电机为直线电机，共有4台，分别控制电动病床的背部运动、翻身运动、便盆开关以及曲腿运动。
6.一种使用权利要求3所述的系统的基于嵌入式的智能病床监控方法，其特征在于，
1）当病人以同一姿势长时间躺在病床上，通过安装在病床上的压力分布式传感器检测病人身体长时间受压区域的压力大小和时间，当压力大小和时间达到设定阈值时，监控系统会提醒病人及时翻身以免皮肤组织长时间受压产生慢性压疮；
2）Web端设置了电动病床的控制按键，病人躺在床上只要通过Web端登录服务器就可以摆脱对病床遥控器的依赖直接通过Web端实现对病床姿态的调整以满足自身的需要；当有按键按下，控制信号通过服务器发送给树莓派，树莓派通过串口通讯的方式发送给Arduino，Arduino先判断控制信号再将控制命令发送给AT89C51，AT89C51再通过控制继电器的通断控制对应直线电机的运行，从而实现病床姿态的调整；
3）监控系统装有摄像头，摄像头通过USB接口与树莓派相连，摄像头每隔一段时间将采集的图像数据发送个树莓派，树莓派再通过以太网把图像数据发送给服务器，医护人员通过登录服务器可以及时通过摄像头采集的图像数据对病人的状态进行监护；
4）安装在床板上的惯性传感器实时检测病床的姿态，惯性传感器把检测的角度数据反馈给树莓派，实现病床的反馈控制，限制病床姿态调整的极限位置，避免病人在误操作时发生危险。
7.根据权利要求6所述的智能病床监控方法，其特征在于，所述的每一张电动病床有一个固定的IP，在Web端可以录入病人的相关个人信息，数据保存在服务器中，并且在Web端上可以添加新的病床，只要绑定一个IP就可以将病床与服务器相连，通过服务器可以管理多个病床，满足医院对众多病人的监护。
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