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

引言

隨著我國老齡化進(jìn)程的加劇，當(dāng)今社會(huì)中存在著一種因失去生活自理能力而“長(zhǎng)期臥床的弱勢(shì)群體”，特別是那些幾乎無意識(shí)的弱勢(shì)群體，他們需要被人長(zhǎng)期照顧，特別是他們的大小便的清潔處理。然而由于該弱勢(shì)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(shì)群體的家庭護(hù)理矛盾日益凸顯。目前市場(chǎng)上的長(zhǎng)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(dòng)識(shí)別與回收、溫水清洗與自動(dòng)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(duì)于絕大多數(shù)現(xiàn)代家庭而言，無論從人力還是財(cái)力，這都將是一個(gè)沉重的負(fù)擔(dān)，同時(shí)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(huì)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(bào)警信息以“手機(jī)短信”的形式實(shí)時(shí)發(fā)送到設(shè)定的臥床病人監(jiān)護(hù)人的手機(jī)中，同時(shí)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(huì)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(shí)，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(bào)警、收集桶臟物上限報(bào)警、漏電檢測(cè)報(bào)警等參數(shù)巡檢一遍。當(dāng)某項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)發(fā)生報(bào)警時(shí)，護(hù)理機(jī)除了發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警提示信息外，同時(shí)還將報(bào)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(shí)回家處理。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件包括電源模塊設(shè)計(jì)、PIC單片機(jī)主控板電路設(shè)計(jì)、按鍵設(shè)計(jì)、LCD顯示設(shè)計(jì)、傳感器／變送器電路設(shè)計(jì)、語音電路設(shè)計(jì)、GSM通信模塊電路設(shè)計(jì)和外圍驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)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(gè)串口的MCU；系統(tǒng)需要采集風(fēng)溫、水溫等總共10路檢測(cè)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(gè)定時(shí)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(gè)增強(qiáng)型EUSART，24路12位A／D轉(zhuǎn)換器，5個(gè)16位定時(shí)器，7個(gè)CCP模塊和3個(gè)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(jì)

　　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(cè)、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(cè)。其中大便采用紅外光傳輸原理，結(jié)合大便成分對(duì)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(duì)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(cè)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(cè)量風(fēng)溫，又適合測(cè)量水溫。收集桶內(nèi)臟物位置檢測(cè)傳感器有兩個(gè)，一個(gè)是“高位置”檢測(cè)傳感器，另一個(gè)是“極限位置”檢測(cè)傳感器，當(dāng)臟物位置達(dá)到“極限位置”報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止對(duì)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(jì)

　　當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警時(shí)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(chǔ)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(jì)

　　為滿足護(hù)理機(jī)手動(dòng)控制需要，設(shè)計(jì)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(cè)參數(shù)和控制參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

　　2．5 GSM通信模塊電路接口設(shè)計(jì)

　　2．5．1 TC35i模塊介紹

　　TC35i模塊是一個(gè)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(jí)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(hào)，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(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF連接器引出。這40個(gè)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(jì)

　　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(dòng)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(shí)，啟動(dòng)腳IGT與GND導(dǎo)通而變成低電平，啟動(dòng)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(gè)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(cè)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(jì)
3．1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)
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-TECHCCompiler。

上電后，首先對(duì)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(dòng)運(yùn)行模式，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。當(dāng)有報(bào)警發(fā)生時(shí)，除了作相應(yīng)的處理外，還通過GSM模塊將報(bào)警信息以“手機(jī)短信”的形式自動(dòng)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(jì)
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(bào)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(bào)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(jì)創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了家庭長(zhǎng)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(zhǎng)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(shì)群體和改善社會(huì)民生的好產(chǎn)品，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。