基于STM32与机智云的智能蜡疗机

基于STM32与机智云的智能蜡疗机

摘要: 随着物理疗法在慢病治疗中的效果获得认可, 传统的石蜡疗法被广泛应用在医院的理疗科。目前, 蜡疗机的制蜡方法虽已趋于成熟, 但仍存在制蜡效率低下、功耗大、不够智能等问题, 因此有必要对蜡疗机的制蜡效率及智能化程度进行研究。以STM32微控制器为核心, 结合G510通信模块, 对蜡疗机的硬件系统进行优化设计;通过机智云物联网开发技术, 对蜡疗机进行控制和通信。

试验结果表明, 与现有产品相比, 该系统减少了制蜡时间、降低了蜡疗机的功耗, 实现了蜡疗机的物联网控制。该研究为进一步完善蜡疗机的功效提供了设备基础, 对蜡疗机的广泛应用具有积极促进作用, 对今后利用石蜡疗法进行理疗大数据的挖掘与应用具有重要意义。

0 引言

经过优化, 将融蜡和保温组合在一起, 设计了具有融蜡、蜡饼保温功能的自动化一体机[3- 5]。其不仅大大降低了主观因素对制蜡过程的影响, 而且在蜡饼成型的过程中使用了带温度传感器的可调温恒温箱, 可以准确设置蜡饼在使用时的温度, 提高了热疗效果。然而蜡饼成型过程所耗时间过长, 严重降低蜡疗机的工作效率和性价比, 同时不支持远程无线控制, 也无法支持融入物联网, 以及为规模应用与医疗大数据提供支撑.

因此, 本设计在当前热销智能蜡疗机的基础上, 通过智能化控制恒温箱侧门开闭, 以减少液体蜡饼成型时间来降低功耗;增加了物联网模块, 并使用机智云开发平台开发了移动客户端控制程序, 以支持远程控制、显示与云端数据存储与共享。

1 整体设计方案

本设计主要由融蜡箱、注蜡系统、恒温箱、控制系统组成。融蜡箱是采用水融蜡原理将固体蜡融化为液体蜡的场所, 其下部的加热棒通过加热融蜡箱下部的水, 使与水接触的蜡慢慢融化。水融蜡方式不仅可以增加医用石蜡的使用寿命, 而且可以防止因加热棒直接加热固体蜡导致局部高温而造成石蜡燃烧等意外事故的发生[7]。注蜡系统主要由杂物过滤器、推杆电机、注蜡管和开关阀门组成。

在注蜡阶段, 液体蜡通过杂物过滤器后进入注蜡管, 并通过打开的注蜡阀门流入相应的蜡盘内。恒温箱是医用石蜡由液态凝固为略高于人体体温且具有可塑固体石蜡的场所。在融蜡过程结束之后、注蜡之前, 系统会将恒温箱升至59 ℃左右, 防止注蜡管中凝蜡和蜡在盘中凝蜡不均导致的溢出[8]。控制系统由传感器、控制板、工业屏幕和控制输出部分组成。微控制器通过接收温度传感器、水位报警传感器、开/关门检测传感器的信号, 判断当前设备运行状态并作出相应的决策。

系统整体框图如图1所示。

图1 系统整体框图

2 硬件电路设计

智能蜡疗机的硬件电路部分主要由STM32最小系统、电压变换电路、数据存储电路、温度传感器、水位/开门/关门检测器、输出控制器电路和TTL-485信号转换电路组成。

2.1 主控电路设计

主控电路由以STM32F103C8T6为核心的微控制器和**电路构成。该控制器是一款基于ARM Cortex- M 内核STM32系列的32位的微控制器, 程序存储器容量为64KB, 工作电压为2～3.6 V, 可在-40～85 ℃温度下工作[9- 10]。其具有33个I/O接口和3个USART通信接口, 可以满足连传感器、控制器和G510通信模块的需求。

2.2 供电电路设计

考虑到控制侧门开关和注蜡阀门的推杆电机皆为24 V供电, 因此系统采用24 V供电, 并通过降压得到12 V、5 V和3.3 V, 以满足触摸屏和不同芯片对电压的需求。其中, 24 V转12 V降压芯片采用3 A电流输出降压开关型集成稳压电路LM2576- 12 V。该芯片与电容、电感组成的降压电路产生的12 V电压可以满足为工业触摸屏供电的要求。12 V转5 V降压芯片采用输出为1 A的集成稳压芯片LM4805。5 V转3.3 V采用AMS1117- 3.3 V正向低压降稳压器。供电电路设计如图2所示。

图2 供电电路设计图

2.3 水位/开/关门检测传感器

智能蜡疗机融蜡过程采用水溶蜡原理, 当融蜡箱内含水较少时, 可能出现局部温度达到蜡燃点导致火灾的严重后果, 因此需要对融蜡箱设置最低水位报警。而开门/关门检测传感器能够检测在运行中侧门的开关状态并判断部分运行故障。水位检测传感器信号接收电路如图3所示。

当水位低于最低报警刻度时, 传感器输入信号线与输出信号线导通, 光电耦合器发射管工作使接收二极管导通, 微控制器的PB5端口电位拉低, 触发相应外部中断提醒融蜡箱缺水并进行报警。开/关门检测传感器采用限位开关检测侧门的打开关闭状态。当侧门打开/关闭后, 触动相应的限位开关并使其导通, 其信号接收原理与水位信号接收原理一致。

图3 水位检测传感器信号接收电路

2.4 数据存储电路

本设计添加数据存储电路, 对融蜡温度、注蜡盘数、注蜡时间等设置值进行保存, 从而避免每次关机后设置内容丢失。数据存储芯片采用串行Flash存储器W25Q128BV。该芯片具有引脚少、功耗低、存储字节多、传输速度快和存储灵活的优点, 可以实现蜡疗机在使用过程中对各种数据的存储记忆功能。

2.5 输出控制电路设计

输出控制电路由控制电路和被控制电路组成。工作时, 微控制器相应I/O口输出低、高电平控制光电耦合器开、关, 继而控制继电器接入电压24 V、0 V, 使输出端衔铁与铁芯吸合、断开, 从而加热棒、风扇电机或推杆电机两端存在、失去电压, 进而开始、停止工作。

2.6 TTL-RS-485信号转换电路设计

RS-485串行总线标准采用平衡发送和差分接收的传输方式与工业触摸屏进行数据交换。该通信协议可以显著提高传输信号抑制共模干扰的能力。SP3485是一款低功耗半双工收发器, 具有数据传输速度高 (10 Mbit/s) 、驱动能力强、输入灵敏度低 (±200 mV) 的优点, 可以完全满足RS-485串行协议的要求。

2.7 G510无线传输接口电路设计

G510通信模块组成的电路能够被任何需要通过蜂窝网络进行语音通话或数据传输的系统或者产品集成。其GSM支持四频 850/900/1 800/1 900 MHz, GPRS 支持Class 10[11]。本设计采用G510模块进行无线通信, 能够对智能蜡疗机进行提升, 使之从一个独立的产品, 成为接入智能物联网进行云互联的智能终端。

3 软件开发设计

软件开发分为设备端、手机客户端开发两部分。设备端程序又分为工业触摸屏驱动控制与内存保护单元控制两部分。其中, 工业触摸屏和手机客户端部分主要实现人机交互, STM32微控制器程序部分执行命令并将各种运行参数传输到工业触摸屏和手机客户端。

3.1 手机客户端程序开发

本文使用机智云APP作为客户端调试工具。该工具是机智云物联网开发平台提供的全球首款物联网 (Internet of things, IoT) 设备通用调试工具[12]。本文通过例化初始化模块、用户模块、配置模块、设备列表模块和控制模块这五个模块不仅实现了需要的功能, 并且实现了智能蜡疗机控制、运行数据云端保存的功能。

3.2 工业触摸屏驱动程序与STM32微控制器程序

工业触摸屏是进行人机交互的方式之一, 主要用于显示蜡疗机工作运行状态、更改各项运行参数和启动相应的工作模式。本文采用北京迪文科技有限公司研发的基于K600+内核所设计的智能型、图形界面、人机系统软件DGUS的工业触摸屏。该工业触摸屏有56 KB变量空间、8通道曲线趋势图寄存器、156 B配置寄存器控件、256 MB的Flash存储器、任意多的触控控件, 不仅可以实现变量显示、运算和传输的响应速度, 而且集成了DWIN OS平台, 方便使用丰富的指令进行二次开发。

微控制器流程图如图4所示。

STM32微控制器是智能蜡疗机系统运行的核心, 其控制程序主要实现以下功能。

① 将融蜡箱和恒温箱温度数据传输到触摸屏和手机客户端。

② 通过检测传感器判断系统运行状态, 并判断系统运行是否出现故障。

③ 根据触摸屏或者手机客户端命令执行相应的运行模式。

3.3 设备端整体软件设计方案

本设计主要功能有自动运行模式、手动运行模式和设置模式。

① 自动运行模式是智能蜡疗机的主要运行模式。不仅可以采用触摸屏或移动客户端执行自动运行功能, 而且可以设置每天自动运行的时间, 方便医生和护士使用。

② 手动运行模式是自动运行功能的辅助功能, 可以丰富个性化医疗的实施。

③ 设置功能主要完成各项运行参数的设置, 包括编辑自动模式、系统时间设置和时间段设置。编辑自动模式的各项参数包括水箱加热温度、恒温箱注蜡温度、恒温箱保持温度、蜡饼成型温度、注蜡盘数、注蜡时间, 主要用于设置手动运行模式和每天早上自动开机运行自动模式时所需要的各项参数。系统时间设置主要是设置当前日期和时间。时间段设置主要用于设置每天自动开机时间、自动关机时间和自动开机后是否运行自动模式 (模式1为运行自动模式, 模式0为开机水箱只加热) 。

自动运行模式流程图如图5所示。

图5 自动运行模式流程图

3.4 现场应用

本设计的智能蜡疗机在盘锦市某医院理疗科进行了4个月的试运行。传统蜡疗机和智能蜡疗机每天分别制蜡30盘、运行12h、待机12h。记录其平均制蜡时间、石蜡寿命和功耗, 如表1所示。

由表1可以看出, 蜡疗机的平均制蜡时间由原来的4h缩减到2h。其主要原因是在蜡饼成型阶段, 液体蜡进入恒温箱后引起恒温箱温度上升,封闭的恒温箱使得温度下降缓慢。传统制蜡技术忽略这一特性使得蜡饼成型过程较长, 而智能蜡疗机通过控制侧门的不断开闭使恒温箱温度快速降低,从而减少蜡饼成型时间。

医用石蜡的使用寿命由原来的两个月增加到三个月, 蜡疗机功耗降低了40%。其主要原因是智能蜡疗机在非制蜡状态下, 水箱采用间歇性加热技术, 使石蜡温度始终略高于最低熔点温度, 不仅降低了设备功耗, 而且延长了石蜡使用寿命。

4 结束语

通过在医院的实际推广应用, 本文设计的智能蜡疗机得到了较好的效果。统计数据表明, 蜡疗机的平均制蜡时间由原来的4h缩减到2h, 缩短了50%;医用石蜡的使用寿命由原来的两个月增加到三个月,石蜡寿命延长了1.5倍,且功耗降低了40%。智能蜡疗机减少了患者的等待时间和医疗成本, 节省了医护人员的操作时间及操作难度。因此, 此蜡疗机具有很好的应用前景。