基于STM32與機智云的智能蠟療機

摘要: 隨著物理療法在慢病治療中的效果獲得認可, 傳統的石蠟療法被廣泛應用在醫院的理療科。目前, 蠟療機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的制蠟效率及智能化程度進行研究。以STM32微控制器為核心, 結合G510通信模塊, 對蠟療機的硬件系統進行優化設計;通過機智云物聯網開發技術, 對蠟療機進行控制和通信。

試驗結果表明, 與現有產品相比, 該系統減少了制蠟時間、降低了蠟療機的功耗, 實現了蠟療機的物聯網控制。該研究為進一步完善蠟療機的功效提供了設備基礎, 對蠟療機的廣泛應用具有積極促進作用, 對今后利用石蠟療法進行理療大數據的挖掘與應用具有重要意義。

0 引言

經過優化, 將融蠟和保溫組合在一起, 設計了具有融蠟、蠟餅保溫功能的自動化一體機[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溫恒溫箱, 可以準確設置蠟餅在使用時的溫度, 提高了熱療效果。然而蠟餅成型過程所耗時間過長, 嚴重降低蠟療機的工作效率和性價比, 同時不支持遠程無線控制, 也無法支持融入物聯網, 以及為規模應用與醫療大數據提供支撐.

因此, 本設計在當前熱銷智能蠟療機的基礎上, 通過智能化控制恒溫箱側門開閉, 以減少液體蠟餅成型時間來降低功耗;增加了物聯網模塊, 并使用機智云開發平臺開發了移動客戶端控制程序, 以支持遠程控制、顯示與云端數據存儲與共享。

1 整體設計方案

本設計主要由融蠟箱、注蠟系統、恒溫箱、控制系統組成。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致局部高溫而造成石蠟燃燒等意外事故的發生[7]。注蠟系統主要由雜物過濾器、推桿電機、注蠟管和開關閥門組成。

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

系統整體框圖如圖1所示。

圖1 系統整體框圖

2 硬件電路設計

智能蠟療機的硬件電路部分主要由STM32最小系統、電壓變換電路、數據存儲電路、溫度傳感器、水位/開門/關門檢測器、輸出控制器電路和TTL-485信號轉換電路組成。

2.1 主控電路設計

主控電路由以STM32F103C8T6為核心的微控制器和**電路構成。該控制器是一款基于ARM Cortex- M 內核STM32系列的32位的微控制器, 程序存儲器容量為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I/O接口和3個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 供電電路設計

考慮到控制側門開關和注蠟閥門的推桿電機皆為24 V供電, 因此系統采用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12 V降壓芯片采用3 A電流輸出降壓開關型集成穩壓電路LM2576- 12 V。該芯片與電容、電感組成的降壓電路產生的12 V電壓可以滿足為工業觸摸屏供電的要求。12 V轉5 V降壓芯片采用輸出為1 A的集成穩壓芯片LM4805。5 V轉3.3 V采用AMS1117- 3.3 V正向低壓降穩壓器。供電電路設計如圖2所示。

圖2 供電電路設計圖

2.3 水位/開/關門檢測傳感器

智能蠟療機融蠟過程采用水溶蠟原理, 當融蠟箱內含水較少時, 可能出現局部溫度達到蠟燃點導致火災的嚴重后果, 因此需要對融蠟箱設置最低水位報警。而開門/關門檢測傳感器能夠檢測在運行中側門的開關狀態并判斷部分運行故障。水位檢測傳感器信號接收電路如圖3所示。

當水位低于最低報警刻度時, 傳感器輸入信號線與輸出信號線導通, 光電耦合器發射管工作使接收二極管導通, 微控制器的PB5端口電位拉低, 觸發相應外部中斷提醒融蠟箱缺水并進行報警。開/關門檢測傳感器采用限位開關檢測側門的打開關閉狀態。當側門打開/關閉后, 觸動相應的限位開關并使其導通, 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 數據存儲電路

本設計添加數據存儲電路, 對融蠟溫度、注蠟盤數、注蠟時間等設置值進行保存, 從而避免每次關機后設置內容丟失。數據存儲芯片采用串行Flash存儲器W25Q128BV。該芯片具有引腳少、功耗低、存儲字節多、傳輸速度快和存儲靈活的優點, 可以實現蠟療機在使用過程中對各種數據的存儲記憶功能。

2.5 輸出控制電路設計

輸出控制電路由控制電路和被控制電路組成。工作時, 微控制器相應I/O口輸出低、高電平控制光電耦合器開、關, 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、風扇電機或推桿電機兩端存在、失去電壓, 進而開始、停止工作。

2.6 TTL-RS-485信號轉換電路設計

RS-485串行總線標準采用平衡發送和差分接收的傳輸方式與工業觸摸屏進行數據交換。該通信協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器, 具有數據傳輸速度高 (10 Mbit/s) 、驅動能力強、輸入靈敏度低 (±200 mV) 的優點, 可以完全滿足RS-485串行協議的要求。

2.7 G510無線傳輸接口電路設計

G510通信模塊組成的電路能夠被任何需要通過蜂窩網絡進行語音通話或數據傳輸的系統或者產品集成。其GSM支持四頻 850/900/1 800/1 900 MHz, GPRS 支持Class 10[11]。本設計采用G510模塊進行無線通信, 能夠對智能蠟療機進行提升, 使之從一個獨立的產品, 成為接入智能物聯網進行云互聯的智能終端。

3 軟件開發設計

軟件開發分為設備端、手機客戶端開發兩部分。設備端程序又分為工業觸摸屏驅動控制與內存保護單元控制兩部分。其中, 工業觸摸屏和手機客戶端部分主要實現人機交互, STM32微控制器程序部分執行命令并將各種運行參數傳輸到工業觸摸屏和手機客戶端。

3.1 手機客戶端程序開發

本文使用機智云APP作為客戶端調試工具。該工具是機智云物聯網開發平臺提供的全球首款物聯網 (Internet of things, IoT) 設備通用調試工具[12]。本文通過例化初始化模塊、用戶模塊、配置模塊、設備列表模塊和控制模塊這五個模塊不僅實現了需要的功能, 并且實現了智能蠟療機控制、運行數據云端保存的功能。

3.2 工業觸摸屏驅動程序與STM32微控制器程序

工業觸摸屏是進行人機交互的方式之一, 主要用于顯示蠟療機工作運行狀態、更改各項運行參數和啟動相應的工作模式。本文采用北京迪文科技有限公司研發的基于K600+內核所設計的智能型、圖形界面、人機系統軟件DGUS的工業觸摸屏。該工業觸摸屏有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存儲器、任意多的觸控控件, 不僅可以實現變量顯示、運算和傳輸的響應速度, 而且集成了DWIN OS平臺, 方便使用豐富的指令進行二次開發。

微控制器流程圖如圖4所示。

STM32微控制器是智能蠟療機系統運行的核心, 其控制程序主要實現以下功能。

① 將融蠟箱和恒溫箱溫度數據傳輸到觸摸屏和手機客戶端。

② 通過檢測傳感器判斷系統運行狀態, 并判斷系統運行是否出現故障。

③ 根據觸摸屏或者手機客戶端命令執行相應的運行模式。

3.3 設備端整體軟件設計方案

本設計主要功能有自動運行模式、手動運行模式和設置模式。

① 自動運行模式是智能蠟療機的主要運行模式。不僅可以采用觸摸屏或移動客戶端執行自動運行功能, 而且可以設置每天自動運行的時間, 方便醫生和護士使用。

② 手動運行模式是自動運行功能的輔助功能, 可以豐富個性化醫療的實施。

③ 設置功能主要完成各項運行參數的設置, 包括編輯自動模式、系統時間設置和時間段設置。編輯自動模式的各項參數包括水箱加熱溫度、恒溫箱注蠟溫度、恒溫箱保持溫度、蠟餅成型溫度、注蠟盤數、注蠟時間, 主要用于設置手動運行模式和每天早上自動開機運行自動模式時所需要的各項參數。系統時間設置主要是設置當前日期和時間。時間段設置主要用于設置每天自動開機時間、自動關機時間和自動開機后是否運行自動模式 (模式1為運行自動模式, 模式0為開機水箱只加熱) 。

自動運行模式流程圖如圖5所示。

圖5 自動運行模式流程圖

3.4 現場應用

本設計的智能蠟療機在盤錦市某醫院理療科進行了4個月的試運行。傳統蠟療機和智能蠟療機每天分別制蠟30盤、運行12h、待機12h。記錄其平均制蠟時間、石蠟壽命和功耗, 如表1所示。

由表1可以看出, 蠟療機的平均制蠟時間由原來的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。傳統制蠟技術忽略這一特性使得蠟餅成型過程較長, 而智能蠟療機通過控制側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間。

醫用石蠟的使用壽命由原來的兩個月增加到三個月, 蠟療機功耗降低了40%。其主要原因是智能蠟療機在非制蠟狀態下, 水箱采用間歇性加熱技術, 使石蠟溫度始終略高于最低熔點溫度, 不僅降低了設備功耗, 而且延長了石蠟使用壽命。

4 結束語

通過在醫院的實際推廣應用, 本文設計的智能蠟療機得到了較好的效果。統計數據表明, 蠟療機的平均制蠟時間由原來的4h縮減到2h, 縮短了50%;醫用石蠟的使用壽命由原來的兩個月增加到三個月,石蠟壽命延長了1.5倍,且功耗降低了40%。智能蠟療機減少了患者的等待時間和醫療成本, 節省了醫護人員的操作時間及操作難度。因此, 此蠟療機具有很好的應用前景。