基于GSM和PIC单片机的无人清洁护理机的设计方案

    引言

    随着我国老龄化进程的加剧，当今社会中存在着一种因失去生活自理能力而“长期卧床的弱势群体”，特别是那些几乎无意识的弱势群体，他们需要被人长期照顾，特别是他们的大小便的清洁处理。然而由于该弱势群体数量大、护理人员紧缺和护理费用高等问题，导致这些弱势群体的家庭护理矛盾日益凸显。目前市场上的长期卧床病人大小便清洁护理机在“智能护理”方面己比较完善，已经具有大小便自动识别与回收、温水清洗与自动烘干等功能，达到了“人性化”护理的要求，但在使用过程中仍然需要专门的“陪护人员”，对于绝大多数现代家庭而言，无论从人力还是财力，这都将是一个沉重的负担，同时也限制了大小便清洁护理机在家庭中的推广使用，因此，社会迫切需要一种在现有护理功能的基础上能够实现“无人护理”功能的新型大小便清洁护理机。本文以PIC18F87K22单片机为护理机主控制器，利用西门子GSM模块TC35i，将护理机报警信息以“手机短信”的形式实时发送到设定的卧床病人监护人的手机中，同时，监护人也可用“手机短信”的形式发送命令远程控制家中护理机的运行，创新性地实现了家庭长期卧床病人大小便清洁护理机的“无人护理”功能，将在很大程度上解决我国长期卧床病人家庭的陪护人员紧缺和护理费用高昂这些亟待解决社会难题。

1 系统组成与工作原理
    系统主要由PIC单片机主控板、键盘和显示模块、传感／变送器模块、执行机构模块、GSM通信模块(TC35i)和用户手机等几部分组成(图1)。系统工作时，PIC单片机每隔500ms将护理机的水温、风温、流量、清水桶液位下限报警、收集桶脏物上限报警、漏电检测报警等参数巡检一遍。当某项检测参数发生报警时，护理机除了发出相应的声光报警提示信息外，同时还将报警信息通过GSM模块以“手机短信”的形式发送到程序设置的监护人的手机中，提示监护人及时回家处理。

 　　2 系统硬件设计

　　系统硬件包括电源模块设计、PIC单片机主控板电路设计、按键设计、LCD显示设计、传感器／变送器电路设计、语音电路设计、GSM通信模块电路设计和外围驱动执行机构电路设计等。

　　2．1 单片机芯片选择

　　由于单片机与GSM通信模块(TC35i)之间通过串口通信，考虑到今后还需要与ZigBee模块进行串口通信，所以需要具有至少两个串口的MCU；系统需要采集风温、水温等总共10路检测参数；在大小便结束后进行的温水冲洗和暖风烘干过程中，还需要用到多个定时器；需要通过PWM方式控制电机转速。综合考虑上述要求，本系统选用Microehip(微星)公司的PIC18F877K22单片机，其内部集成4KB SRAM，128KB EPROM，69位I／O，2个增强型EUSART，24路12位A／D转换器，5个16位定时器，7个CCP模块和3个ECCP模块，其资源完全满足系统需要。

　　2．2 传感器／变送器接口设计

　　护理机用到的传感器包括风温、水温、水流量、大小便检测、收集桶位置、收集桶脏物上限位置、清水桶液位下限位置等参数的检测。其中大便采用红外光传输原理，结合大便成分对红外光吸收及隔断机理来判断是否有大便排出；小便则通过分析小便对收集座部位电容量的改变判断是否有小便排出，这些传感器是旭日清洁器械有限公司专门开发的非接触式大小便检测传感器。风温、水温传感器采用新型热敏电阻PT3M-K51F-BLT1传感器，既适合于测量风温，又适合测量水温。收集桶内脏物位置检测传感器有两个，一个是“高位置”检测传感器，另一个是“极限位置”检测传感器，当脏物位置达到“极限位置”报警时，系统自动停止对大小便的处理，防止脏物溢出。主要的传感器接口电路如图2所示。

　　2．3 语音接口电路设计

　　当出现报警时需要有相应的语音提示，语音部分采用了专门的语音处理芯片WT588D-20SS，该芯片功能强大、方便易用。此外，还设置了专门的存储器TS25L-16AP，它具有16M NOR Flash，通过与语音芯片配合，可以很好地完成语音提示功能。

　　2．4 液晶和键盘接口电路设计

　　为满足护理机手动控制需要，设计了专用的键盘，此键盘与CPU接口采用8位I／O线并口输入输出方式。LCD显示采用RT12864图形点阵型液晶显示模块，可方便实现检测参数和控制参数的实时显示。

　　2．5 GSM通信模块电路接口设计

　　2．5．1 TC35i模块介绍

　　TC35i模块是一个支持短消息服务(SMS)、数据通信和语音通信功能的工业级GSM模块，由供电部分、GSM基带处理器、FLASH闪存、射频部分、天线和ZIF(零插拔力)连接器等组成(图4)。基带处理器是TC35i的核心，主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。TC35i模块有40个引脚，通过一个ZIF连接器引出。这40个引脚按功能划分为5类，即电源、数据输入／输出、SIM卡、音频接口和控制。

　　2．5．2 TC35i模块接口电路设计

　　TC35i与PIC单片机和SIM卡的接口都是通过ZIF连接器完成，如图5所示。本系统中ZIF连接器用到的主要引脚如下：第1～5引脚是TC35i的工作电压输入端VBATT+，推荐电压为4．2VDC，第6～10引脚是电源地(GND)。第15引脚是启动脚IGT(Ignition)，低电平有效，本系统外接三极管Q1与PIC18F87K22的I／O RC5脚连接，当RC5产生大于100ms的高电平时，启动脚IGT与GND导通而变成低电平，启动GSM模块。第16～23为数据输入／输出，分别为DSR0、RING0、RXDO、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。TC35i的数据输入／输出接口实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-T RS232接口标准。它有固定的参数：8位数据位和1位停止位，无校验位，比特率在300bps～115kbps之间可选，默认9600，支持标准的AT命令集。本系统中仅用RXD0、TXD0分别与PIC单片机的RXD、TXD引脚连接即可，即单片机与TC35i的通信就是通过这两条串口线完成的。TC35i使用外接式SIM卡，第24～29为SIM卡引CCDET2引脚与ZIF的CCIN引脚相连，用来检测SIM卡夹持器中的SIM卡是否插好，如果已经插好，则CCIN引脚上为高电平，否则为低电平，因此通过单片机编程读取ZIF的CCIN引脚电平即可判断SIM卡是否就绪。CCIO是串行数据线，完成TC35i和SIM卡的数据输入和输出。第32脚为控制脚SYNC，本系统中的功能是指示TC35i的工作状态。

3 系统软件设计
3．1 系统主程序设计
    系统主程序流程图如图6所示，软件编程采用MPLAB V8．63实现，编译器采用HI-TECH CCompiler。

    
    上电后，首先对单片机和GSM模块分别进行初始化，然后进行按键扫描与处理，进入护理机默认的全自动运行模式，自动进行数据采集与处理。当有报警发生时，除了作相应的处理外，还通过GSM模块将报警信息以“手机短信”的形式自动发送到病人监护人的手机中，监护人也可用“手机短信”的形式发送命令远程控制家中护理机的运行，从而实现护理机的“无人护理”功能。
3．2 GSM短信息处理程序设计
    GSM短信息传递本质上就是单片机通过AT指令向监护人手机发短信的过程。TC35i短消息模块有两种工作模式，用“AT+CMGF=n”命令来设置，n=0为PDU模式；n=1为文本模式。由于本系统发送和接收的数据都是基于英文的报警状况和命令字，所以n=1。AT+CMGS为选择消息服务。下面以“脏物收集桶满(Dirty Full Alarm)”报警为例，通过程序说明其实现过程。

　　4 结束语

　　本设计创新性地实现了家庭长期卧床病人大小便清洁护理机的“无人护理”功能，将在很大程度上解决我国长期卧床病人家庭陪护人员紧缺和护理费用高昂这些亟待解决的难题，是造福弱势群体和改善社会民生的好产品，具有广阔的市场应用前景。