基于STM32的醫(yī)療康復(fù)室智能家居系統(tǒng)

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方案

本系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)的面向康復(fù)家居操縱主要可表示描述如下：核心片面要實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)功能的智能操縱，即基于紅外通信方式的遠(yuǎn)程遙控；而系統(tǒng)中包括3個(gè)子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內(nèi)環(huán)境調(diào)理模塊和窗簾操縱模塊。其中，紫外燈消毒模塊是在檢測(cè)無(wú)人處境下舉行室內(nèi)紫外線消毒：室內(nèi)環(huán)境調(diào)理模塊是對(duì)室內(nèi)的溫濕度做出適當(dāng)?shù)膬?yōu)化調(diào)理；窗簾操縱模塊是根據(jù)檢測(cè)到的光強(qiáng)對(duì)窗簾來(lái)調(diào)控開(kāi)啟與關(guān)閉配置。這三大模塊的功能所對(duì)應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)那么如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心片面采用了探索者STM32F407開(kāi)發(fā)板上微處理器、4.3寸液晶屏、自帶的紅外接收頭和紅外遙控板，外圍用杜邦線連接紅外放射板和語(yǔ)音識(shí)別模塊，組本金次研究的核心操縱片面。

本系統(tǒng)包括3個(gè)子模塊，分別是紫外燈消毒模塊、室內(nèi)環(huán)境調(diào)理模塊和窗簾操縱模塊。系統(tǒng)的子模塊的調(diào)度機(jī)制都是由51單片機(jī)舉行操縱，每個(gè)子模塊都由紅外接收板、液晶、鍵盤(pán)和USB轉(zhuǎn)串口模塊與單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件連接，同時(shí)針對(duì)每一片面均已單獨(dú)制作了一個(gè)開(kāi)發(fā)板，用到的功能模塊均通過(guò)杜邦線與該開(kāi)發(fā)板連接后進(jìn)入使用。子模塊的三大功能分別實(shí)現(xiàn)：對(duì)室內(nèi)環(huán)境舉行紫外消毒；調(diào)理室內(nèi)舒適度，變更環(huán)境中的溫濕度；改善室內(nèi)光照的強(qiáng)度。在此，將給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示。研究設(shè)計(jì)內(nèi)容那么論述如下。

2.1紅外交互

紅外通訊的告成構(gòu)建務(wù)必實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外線的信息與數(shù)據(jù)的放射與接收。假設(shè)接收器能夠?qū)Ψ派涞募t外線有接收回響，并且一一對(duì)應(yīng)，那么就可以通過(guò)紅外來(lái)遙控，并全程設(shè)計(jì)推行本文智能家居這一觀念。

紅外無(wú)線通信采用紅外線作為無(wú)線傳輸載體，并可應(yīng)用于室內(nèi)外以實(shí)際獲得點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，這一設(shè)計(jì)具備如下特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）紅外線可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)設(shè)備之間的連接線纜作為通信載體，可大大降低線纜費(fèi)用和設(shè)備修理費(fèi)用，簡(jiǎn)樸便當(dāng)，本金低廉。

2）紅外線遇不通明物質(zhì)那么無(wú)法穿越，發(fā)生偵聽(tīng)的可能性較小，保密性好，并且紅外線放射角度一般不超過(guò)30度，視線之外的設(shè)備很難對(duì)其構(gòu)成干擾，安好性高。

3）紅外線不受空間高頻電磁波的干擾，在使用紅外線傳輸信息時(shí)，干擾小。

4）紅外線功率低，最大消耗為幾mA，對(duì)人體健康尤其對(duì)人的眼睛無(wú)任何傷害作用。

5）紅外線的應(yīng)用廣泛，紅外通信技術(shù)成熟，現(xiàn)如今的應(yīng)用普及度已不成小覷。

研究過(guò)程中，完整探討并推出了紅外放射與接收的系統(tǒng)框架，明顯表示了利用紅外線來(lái)實(shí)現(xiàn)通訊的關(guān)鍵流程步驟。下面即針對(duì)每一片面給出詳盡解析與闡釋。

2.1.1紅外放射模塊

紅外放射電路由放大電路和紅外放射管組成。在電路元件參數(shù)選擇時(shí)，首先確定紅外發(fā)光二極管，再由該元件主要參數(shù)為基準(zhǔn)，去設(shè)計(jì)選擇其他元件。一般處境下，紅外發(fā)光二極管在作為遙控使用時(shí)多項(xiàng)選擇取遠(yuǎn)紅外區(qū)的性質(zhì)款型，波長(zhǎng)為940um。放射距離主要由放射功率抉擇，可斟選功率20-100mW，正向壓降UF≤1.8v，反向擊穿電壓Ur>5v，型號(hào)為HG450的發(fā)光二極管。三極管的配選上將重點(diǎn)考慮集電極電流，流過(guò)發(fā)光二極管的電流就是三極管集電極電流，由于當(dāng)二級(jí)管驅(qū)動(dòng)電流，6較大時(shí)，實(shí)現(xiàn)上卻難于達(dá)成，故采用復(fù)合管，概括那么選用3DG6和3DGl2，為了裁減放射電流輸入對(duì)編碼調(diào)試電路的影響，需用反向器舉行隔離。

2.1.2紅外遙控編碼器

編碼電路的作用：將并行輸出的操縱代碼，按確定的依次處理編排，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)后送入調(diào)制，形成電路。目前，已有較多產(chǎn)品成果可用于遙控系統(tǒng)的編/譯碼集成芯片。

本次研究中，即將MCl45026與譯碼器MCl45027配對(duì)使用，具有如下特點(diǎn)：

1）能與射頻、超聲波或紅外線的調(diào)制器接口。

2）在二進(jìn)制（0或1）或三態(tài)（0，1，開(kāi)路）數(shù)據(jù)中能按址操作。

3）每個(gè)編碼序列數(shù)據(jù)傳送2次，提升了接收安好性。

4）采用RC振蕩器，無(wú)需使用晶體振蕩，且對(duì)外部元件的精度要求不高，允許有±5%的誤差。

5）應(yīng)用領(lǐng)域范圍廣闊，如防盜、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)繩電話、安好操縱、遙控系統(tǒng)。

2.1.3載頻產(chǎn)生與調(diào)制器

編碼信號(hào)直接傳輸，抗干擾才能差，傳輸距離近。為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有性質(zhì)內(nèi)置方面缺乏，需將編碼信號(hào)裝載在較高頻率的載波上來(lái)運(yùn)行放射。這里的載波是指高頻脈沖波（方波），載波的產(chǎn)生電路，就是高頻方波振蕩器，本次設(shè)計(jì)采用門(mén)電路組成方波發(fā)生器，同時(shí)考慮利用編碼信號(hào)調(diào)制載波，故最終采用了可控振蕩電路。

2.1.4紅外接收模塊

紅外接收電路通常由一片專(zhuān)用集成電路和少量外圍器件而共同合作組成。本次研究即由HS0038主控構(gòu)成了紅外接收電路。

紅外線接收遙控是目前使用日趨廣泛的一種通信和遙控手段，這在很大程度上可歸結(jié)為其在多方面的顯著性能優(yōu)勢(shì)，分別表述為：抗干擾才能好、編碼及解碼輕易、功耗小、本金低等。

紅外接收片面包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。

HS0038的輸出信號(hào)需要經(jīng)過(guò)反相處理，處理后的信號(hào)才能送人MCl45027芯片來(lái)分析開(kāi)展解碼。因此，在HS0038的輸出后需要參與74HC04反相器對(duì)信號(hào)舉行反相處理。

2.1.5紅外解碼器

解碼電路的功能是將解調(diào)后的串行數(shù)據(jù)舉行解碼，使其成為BCD操縱代碼，并使操縱代碼以并行方式供給輸出。MCl45027是與MCl45026配對(duì)使用的通用接收解碼器。更加地，針對(duì)MCl45027的內(nèi)部布局及其組成的解碼電路的探討可知，數(shù)據(jù)提取電路的作用即是判別和檢測(cè)輸入數(shù)據(jù)的特性。

實(shí)際調(diào)試中，選定電容Crc為4700pf，調(diào)理電子Rrc，使145026輸出信號(hào)的頻率為2KHz。此時(shí)測(cè)得RTc的電阻值為34.41K，其中，固定電阻R21的值為20K，電位器R23的值為14.41K。根據(jù)上述參數(shù)將可計(jì)算求出R1、C1、R2、C2的需求數(shù)值。

收到的串行數(shù)據(jù)從MCl45027的第9引腳輸入，經(jīng)數(shù)據(jù)提取電路判別后與序列發(fā)生器生成的本地地址碼再綜合執(zhí)行指定校驗(yàn)操作。

2.1.6譯碼器與操縱器

譯碼電路是將解碼器輸出的4位二進(jìn)制操縱信號(hào)代碼復(fù)譯為與放射端相應(yīng)的8路操縱電平。選擇4個(gè)雙D觸發(fā)器74HC74，那么可對(duì)8路信號(hào)的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操縱，每收到一次信號(hào)，操縱狀態(tài)就轉(zhuǎn)換一次。

2.2人機(jī)交換

本系統(tǒng)通過(guò)探索者STM32407的液晶顯示屏來(lái)標(biāo)識(shí)呈現(xiàn)相應(yīng)的操縱操作，例如開(kāi)啟與關(guān)閉加熱功能按鈕號(hào)、開(kāi)啟與關(guān)閉消毒功能按鈕號(hào)、開(kāi)啟與關(guān)閉窗簾按鈕號(hào)等，病患可明顯選擇各定制功能，提高遙控的切實(shí)性。還通過(guò)51單片機(jī)連接ledl602液晶屏給出各個(gè)子模塊的視像表示參數(shù)，如溫濕度、光照強(qiáng)度、紫外消毒時(shí)間，并且能通過(guò)按鍵設(shè)置溫濕度的上下限、光照強(qiáng)度的上下限、以及消毒的時(shí)間長(zhǎng)度。

3軟件設(shè)計(jì)與系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1軟件設(shè)計(jì)

至此，研究中探討設(shè)計(jì)了軟件總體架構(gòu)如圖4所示。

核心操縱模塊會(huì)顯示全部功能按鍵并由病患設(shè)定操作，根據(jù)子模塊顯示的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光強(qiáng)，病患可根據(jù)需要通過(guò)遙控器舉行按鍵操縱，也可直接舉行語(yǔ)音操縱，發(fā)出的指令將送至STM32F407微處理器中開(kāi)展探詢辨識(shí)，再將獲取的結(jié)果命令通過(guò)紅外放射出去，假設(shè)命令錯(cuò)誤，便無(wú)模塊應(yīng)答并提示命令錯(cuò)誤：假設(shè)命令正確，那么相應(yīng)的子模塊會(huì)開(kāi)啟執(zhí)行其獨(dú)立預(yù)期功能，包括紫外消毒、自動(dòng)調(diào)理加熱加濕、自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉窗簾，并且子模塊會(huì)根據(jù)配置的量化參數(shù)自動(dòng)調(diào)理操縱環(huán)境中溫濕度、光強(qiáng)度等。

3.2系統(tǒng)驗(yàn)證

紫外燈定時(shí)消毒包含可遙控、禁用檢測(cè)、警示、時(shí)間設(shè)置及系統(tǒng)狀態(tài)顯示等功能。紫外燈可在開(kāi)啟和關(guān)閉功能選項(xiàng)中自由輪換，消毒的時(shí)間由護(hù)士或病人設(shè)定，譬如可將紫外燈的開(kāi)啟時(shí)間設(shè)定在病人外出時(shí)間段，在病人回來(lái)后紫外燈關(guān)閉。在紫外燈消毒期間，可通過(guò)人體檢測(cè)模塊對(duì)室內(nèi)巡回檢測(cè)是否有人，若有人在內(nèi)，那么調(diào)用警示功能，會(huì)有語(yǔ)音提示如“紫外燈正在消毒，請(qǐng)勿在室內(nèi)逗留”，紫外燈的狀態(tài)和設(shè)定時(shí)間都會(huì)在液晶上顯示出來(lái)，便于查看，紫外燈的開(kāi)啟和關(guān)閉也可通過(guò)病人的需求發(fā)出命令操縱。

室內(nèi)環(huán)境自動(dòng)調(diào)理包含可遙控、參數(shù)設(shè)置、溫濕度檢測(cè)、調(diào)理溫濕度等功能。護(hù)士可通過(guò)鍵盤(pán)穩(wěn)妥設(shè)置適合病人的溫度和濕度范圍，若室內(nèi)溫濕度超出該范圍，那么自動(dòng)開(kāi)啟加熱器或加濕器，給病人營(yíng)造一個(gè)良好舒適的生活環(huán)境，病人也可以根據(jù)自己的需求通過(guò)遙控器或語(yǔ)音而對(duì)加濕器和加熱器施加合理操縱。

窗簾操縱包含可遙控、室內(nèi)亮度采集、亮度調(diào)理和參數(shù)設(shè)置等功能。研究在本系統(tǒng)中采用GY-30數(shù)字光模塊檢測(cè)室內(nèi)外光強(qiáng)強(qiáng)度，并在液晶上顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，護(hù)士可通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)定適合的光強(qiáng)范圍，如檢測(cè)到的光強(qiáng)強(qiáng)度低于該范圍，那么關(guān)閉窗簾，若高于該范圍，那么開(kāi)啟窗簾，病人也可根據(jù)自己需求遙控或語(yǔ)音操縱窗簾的開(kāi)啟或關(guān)閉。

4終止語(yǔ)

通過(guò)研究設(shè)計(jì)和實(shí)踐調(diào)試，該系統(tǒng)最終開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了如下完備功能：紫外燈消毒模塊可