基于GSM和PIC單片機(jī)的無人清潔護(hù)理機(jī)的設(shè)計

摘要：文章以PIC單片機(jī)為“家庭長期臥床病人大小便清潔護(hù)理機(jī)”的主控制器，完成護(hù)理機(jī)各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時檢測與控制，利用GSM模塊TC3 5i將護(hù)理機(jī)報警信息以“手機(jī)短信”的形式實(shí)時發(fā)送到病人監(jiān)護(hù)人的手機(jī)中，同時監(jiān)護(hù)人也可用“手機(jī)短信”的形式發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制家中護(hù)理機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了護(hù)理機(jī)的“無人護(hù)理”功能。該設(shè)計將在很大程度上解決我國長期臥床病人家庭陪護(hù)人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高昂的難題，將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；GSM模塊：傳感器；無人護(hù)理功能

0 引言
    隨著我國老齡化進(jìn)程的加劇，當(dāng)今社會中存在著一種因失去生活自理能力而“長期臥床的弱勢群體”，特別是那些幾乎無意識的弱勢群體，他們需要被人長期照顧，特別是他們的大小便的清潔處理。然而由于該弱勢群體數(shù)量大、護(hù)理人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高等問題，導(dǎo)致這些弱勢群體的家庭護(hù)理矛盾日益凸顯。目前市場上的長期臥床病人大小便清潔護(hù)理機(jī)在“智能護(hù)理”方面己比較完善，已經(jīng)具有大小便自動識別與回收、溫水清洗與自動烘干等功能，達(dá)到了“人性化”護(hù)理的要求，但在使用過程中仍然需要專門的“陪護(hù)人員”，對于絕大多數(shù)現(xiàn)代家庭而言，無論從人力還是財力，這都將是一個沉重的負(fù)擔(dān)，同時也限制了大小便清潔護(hù)理機(jī)在家庭中的推廣使用，因此，社會迫切需要一種在現(xiàn)有護(hù)理功能的基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)“無人護(hù)理”功能的新型大小便清潔護(hù)理機(jī)。本文以PIC18F87K22單片機(jī)為護(hù)理機(jī)主控制器，利用西門子GSM模塊TC35i，將護(hù)理機(jī)報警信息以“手機(jī)短信”的形式實(shí)時發(fā)送到設(shè)定的臥床病人監(jiān)護(hù)人的手機(jī)中，同時，監(jiān)護(hù)人也可用“手機(jī)短信”的形式發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制家中護(hù)理機(jī)的運(yùn)行，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了家庭長期臥床病人大小便清潔護(hù)理機(jī)的“無人護(hù)理”功能，將在很大程度上解決我國長期臥床病人家庭的陪護(hù)人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高昂這些亟待解決社會難題。

1 系統(tǒng)組成與工作原理
    系統(tǒng)主要由PIC單片機(jī)主控板、鍵盤和顯示模塊、傳感／變送器模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊、GSM通信模塊(TC35i)和用戶手機(jī)等幾部分組成(圖1)。系統(tǒng)工作時，PIC單片機(jī)每隔500ms將護(hù)理機(jī)的水溫、風(fēng)溫、流量、清水桶液位下限報警、收集桶臟物上限報警、漏電檢測報警等參數(shù)巡檢一遍。當(dāng)某項(xiàng)檢測參數(shù)發(fā)生報警時，護(hù)理機(jī)除了發(fā)出相應(yīng)的聲光報警提示信息外，同時還將報警信息通過GSM模塊以“手機(jī)短信”的形式發(fā)送到程序設(shè)置的監(jiān)護(hù)人的手機(jī)中，提示監(jiān)護(hù)人及時回家處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)硬件包括電源模塊設(shè)計、PIC單片機(jī)主控板電路設(shè)計、按鍵設(shè)計、LCD顯示設(shè)計、傳感器／變送器電路設(shè)計、語音電路設(shè)計、GSM通信模塊電路設(shè)計和外圍驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路設(shè)計等。
2．1 單片機(jī)芯片選擇
    由于單片機(jī)與GSM通信模塊(TC35i)之間通過串口通信，考慮到今后還需要與ZigBee模塊進(jìn)行串口通信，所以需要具有至少兩個串口的MCU；系統(tǒng)需要采集風(fēng)溫、水溫等總共10路檢測參數(shù)；在大小便結(jié)束后進(jìn)行的溫水沖洗和暖風(fēng)烘干過程中，還需要用到多個定時器；需要通過PWM方式控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。綜合考慮上述要求，本系統(tǒng)選用Microehip(微星)公司的PIC18F877K22單片機(jī)，其內(nèi)部集成4KB SRAM，128KB EPROM，69位I／O，2個增強(qiáng)型EUSART，24路12位A／D轉(zhuǎn)換器，5個16位定時器，7個CCP模塊和3個ECCP模塊，其資源完全滿足系統(tǒng)需要。
2．2 傳感器／變送器接口設(shè)計
    護(hù)理機(jī)用到的傳感器包括風(fēng)溫、水溫、水流量、大小便檢測、收集桶位置、收集桶臟物上限位置、清水桶液位下限位置等參數(shù)的檢測。其中大便采用紅外光傳輸原理，結(jié)合大便成分對紅外光吸收及隔斷機(jī)理來判斷是否有大便排出；小便則通過分析小便對收集座部位電容量的改變判斷是否有小便排出，這些傳感器是旭日清潔器械有限公司專門開發(fā)的非接觸式大小便檢測傳感器。風(fēng)溫、水溫傳感器采用新型熱敏電阻PT3M-K51F-BLT1傳感器，既適合于測量風(fēng)溫，又適合測量水溫。收集桶內(nèi)臟物位置檢測傳感器有兩個，一個是“高位置”檢測傳感器，另一個是“極限位置”檢測傳感器，當(dāng)臟物位置達(dá)到“極限位置”報警時，系統(tǒng)自動停止對大小便的處理，防止臟物溢出。主要的傳感器接口電路如圖2所示。

2．3 語音接口電路設(shè)計
    當(dāng)出現(xiàn)報警時需要有相應(yīng)的語音提示，語音部分采用了專門的語音處理芯片WT588D-20SS，該芯片功能強(qiáng)大、方便易用。此外，還設(shè)置了專門的存儲器TS25L-16AP，它具有16M NOR Flash，通過與語音芯片配合，可以很好地完成語音提示功能。
2．4 液晶和鍵盤接口電路設(shè)計
    為滿足護(hù)理機(jī)手動控制需要，設(shè)計了專用的鍵盤，此鍵盤與CPU接口采用8位I／O線并口輸入輸出方式。LCD顯示采用RT12864圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，可方便實(shí)現(xiàn)檢測參數(shù)和控制參數(shù)的實(shí)時顯示。
2．5 GSM通信模塊電路接口設(shè)計
2．5．1 TC35i模塊介紹
    TC35i模塊是一個支持短消息服務(wù)(SMS)、數(shù)據(jù)通信和語音通信功能的工業(yè)級GSM模塊，由供電部分、GSM基帶處理器、FLASH閃存、射頻部分、天線和ZIF(零插拔力)連接器等組成(圖4)?；鶐幚砥魇荰C35i的核心，主要處理GSM終端內(nèi)的語音和數(shù)據(jù)信號，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字功能。TC35i模塊有40個引腳，通過一個ZIF連接器引出。這40個引腳按功能劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入／輸出、SIM卡、音頻接口和控制。

2．5．2 TC35i模塊接口電路設(shè)計
    TC35i與PIC單片機(jī)和SIM卡的接口都是通過ZIF連接器完成，如圖5所示。本系統(tǒng)中ZIF連接器用到的主要引腳如下：第1～5引腳是TC35i的工作電壓輸入端VBATT+，推薦電壓為4．2VDC，第6～10引腳是電源地(GND)。第15引腳是啟動腳IGT(Ignition)，低電平有效，本系統(tǒng)外接三極管Q1與PIC18F87K22的I／O RC5腳連接，當(dāng)RC5產(chǎn)生大于100ms的高電平時，啟動腳IGT與GND導(dǎo)通而變成低電平，啟動GSM模塊。第16～23為數(shù)據(jù)輸入／輸出，分別為DSR0、RING0、RXDO、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。TC35i的數(shù)據(jù)輸入／輸出接口實(shí)際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-T RS232接口標(biāo)準(zhǔn)。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，比特率在300bps～115kbps之間可選，默認(rèn)9600，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。本系統(tǒng)中僅用RXD0、TXD0分別與PIC單片機(jī)的RXD、TXD引腳連接即可，即單片機(jī)與TC35i的通信就是通過這兩條串口線完成的。TC35i使用外接式SIM卡，第24～29為SIM卡引CCDET2引腳與ZIF的CCIN引腳相連，用來檢測SIM卡夾持器中的SIM卡是否插好，如果已經(jīng)插好，則CCIN引腳上為高電平，否則為低電平，因此通過單片機(jī)編程讀取ZIF的CCIN引腳電平即可判斷SIM卡是否就緒。CCIO是串行數(shù)據(jù)線，完成TC35i和SIM卡的數(shù)據(jù)輸入和輸出。第32腳為控制腳SYNC，本系統(tǒng)中的功能是指示TC35i的工作狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)主程序設(shè)計
    系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，軟件編程采用MPLAB V8．63實(shí)現(xiàn)，編譯器采用HI-TECH CCompiler。

    上電后，首先對單片機(jī)和GSM模塊分別進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行按鍵掃描與處理，進(jìn)入護(hù)理機(jī)默認(rèn)的全自動運(yùn)行模式，自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。當(dāng)有報警發(fā)生時，除了作相應(yīng)的處理外，還通過GSM模塊將報警信息以“手機(jī)短信”的形式自動發(fā)送到病人監(jiān)護(hù)人的手機(jī)中，監(jiān)護(hù)人也可用“手機(jī)短信”的形式發(fā)送命令遠(yuǎn)程控制家中護(hù)理機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)護(hù)理機(jī)的“無人護(hù)理”功能。
3．2 GSM短信息處理程序設(shè)計
    GSM短信息傳遞本質(zhì)上就是單片機(jī)通過AT指令向監(jiān)護(hù)人手機(jī)發(fā)短信的過程。TC35i短消息模塊有兩種工作模式，用“AT+CMGF=n”命令來設(shè)置，n=0為PDU模式；n=1為文本模式。由于本系統(tǒng)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)都是基于英文的報警狀況和命令字，所以n=1。AT+CMGS為選擇消息服務(wù)。下面以“臟物收集桶滿(Dirty Full Alarm)”報警為例，通過程序說明其實(shí)現(xiàn)過程。


4 結(jié)束語
    本設(shè)計創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了家庭長期臥床病人大小便清潔護(hù)理機(jī)的“無人護(hù)理”功能，將在很大程度上解決我國長期臥床病人家庭陪護(hù)人員緊缺和護(hù)理費(fèi)用高昂這些亟待解決的難題，是造福弱勢群體和改善社會民生的好產(chǎn)品，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。