基于树莓派的智能床垫

蝶＠羽轩 · 发表于 2017-12-19 12:47:20

一、项目名称：

基于树莓派和Arduino的智能医疗床垫

首先感谢爱板网提供此次比赛，e络盟提供的500元购物券，使得这个设计可以顺利制作。

1. 原理介绍:

考虑到当前医疗卫生机构夜间对病人身体检测存在一定的不便，此设备可以方便医院在夜间对病人进行监护，提高救助几率，避免治疗不及时等状况的出现，同时也可为医院节省夜间查房的费用。此设备通过温度、湿度、按压、陀螺仪等传感器实时检测用户身体的各项指标，诸如：身体不同部位的温度、湿度、呼吸频率等信息，记录用户的离床时间，并通过以上数据判断用户的睡眠质量。同时此设备还可以感知用户睡眠姿势，根据用户的姿态调节床垫不同部位的温度，给用户最优的睡眠体验。本设计使用Arduino采集各传感器的信息，并通过串口将相关数据发送给树莓派，医生通过办公电脑使用VNC或SSH登录即可查看用户的身体状态。结合这些数据判断病人的病情，调整治疗方案和治疗计划，以保证病人的治疗效果。加快治疗时间，提高救助效果。

2. 具体设计：

① Arduino篇

考虑到树莓派I/O口驱动能力、模拟量读取能力并不十分强大，故选用Arduino读取各传感器的状态，通过串口传输给树莓派。Arduino Mega 2560接口丰富、数量多、驱动能力强，编程简单适用于此次设计。下面来详细讨论如何传感器部分。

Arduino MEGA 2560

Arduino UNO R3

a. DHT11

可以方便的检测用户身体的温度和湿度，但其精度并不十分理想，故将其排布在床垫上用户身体四肢的部位，这些部位在医疗中并不十分重要，其主要作用是为床垫上的加热片提供反馈，协助加热片改变用户身体不同部位的温度，提供优质的睡眠体验。

b. DS18B20

相比于DHT11它并不能检测湿度，但是测温的精度要好于DHT11，故选用它来检测用户身体主要部位的温度，布置在床垫上用户的主要身体部位，提供可靠的体温数据，方便医生根据这些信息判断病人的身体状态。

c. MPU6050

使用陀螺仪检测用户的呼吸频率，并根据数据的波动状况反应用户的睡眠质量。

d. 74HC595

虽然Arduino Mega 2560已经拥有了很多的I/O口，但是床垫上的加热片以及按压传感器都需要很多的I/O口，所以选用74HC595扩展Arduino的输出，最大限度的提供更多的加热片，提高I/O口的利用率。

e. 74HC165

和74HC595配套使用，利用它扩展Arduino的输入，读取更多的按压传感器，提高检测用户身体姿态的精度，实际设计中每个按压传感器配合一个加热片，使数据处理更加方便。

（Ps：亲们可以吐槽我拙劣的焊工，QAQ）

f. 程序设计

直接采用arduino IDE中各传感器的支持库，简化编程，首先分开调试，待分别调试完成时，再将所有的代码进行汇总，并进行综合调试。不出意料，在汇总代码后出现了传感器库不兼容的情况，通过更换库以及修改库文件中的C++代码，最后调试通过。最后调试通过的代码，见最后附件（使用arduino1.6.6编译通过，板卡：Arduino MEGA 2560 ）。

注：板卡必须选择arduino MEGA 2560才可以编译通过

② 树莓派篇

因为此设计需要用到远程登录查看用户身体的各项信息，而树莓派可以提供VNC和SSH两种登录，且树莓派3代B型，板载WIFI和蓝牙，配置完成后，只需将树莓派供电即可自动连接无线，省去了网线连接的步骤，使用简单，操作便捷。

帅不帅，O(∩_∩)O哈哈~

a. 系统

选用常用便于操作的RASPBIAN STRETCH WITH DESKTOP系统，上手简单，例程丰富、容易上手、使用简单，简单的学习后就可以熟练使用VNC或SSH登录到树莓派进行数据的查看。适用于医生查看病人的身体数据。关于系统安装网上已有众多教程在此不做赘述

PS：新版系统默认不支持SSH远程登录，在系统烧写完成后新建一个文本文件，然后将文件改为ssh,注意删除扩展名！
还有一点需要注意，树莓派3B将串口默认分配给了蓝牙，所以使用USB转TTL登录会出现连接超时，所以建议还是准备一个显示器，我在配置网络的时候就意外掉线，然后连接不上。只能借了实验室的显示器。
树莓派系统.PNG

b. 系统配置

安装好树莓派的系统后，我们需要对系统进行一些相应的配置，需要注意的是当前系统默认不开启SSH远程登录，可以直接在树莓派系统下自己新建一个SSH的文件，即可使用SSH登录到树莓派，进行使用，还有关于SD卡、时区、键盘、开启VNC的配置可以参考爱板网的其他教程

c. minicom

在links系统下常用的串口工具就是minicom，它可以直接在SSH登录后的命令行中使用，不用进入树莓派桌面打开，配置也相对简单，同时按住Ctrl+A键后在按下Z进入minicom的配置界面，默认波特率是115200，这里修改位9600，其他的数据位、停止位、奇偶检验位、停止位也可以在此界面完成相关设置。设置完成后可以使用USB线链接Arduino和树莓派，运行minicom，当打印出Hello I am Arduino后证明minicom配置成功

sudo apt-get install minicom

复制代码

安装minicom，注意只有在存在串口设备时minicom才可以使用，

sudo minicom

复制代码

打开minicom键盘同时按下Ctrl和A后再按下Z进入设置界面
minicom Z.PNG

Arduino的程序如下所示：

void setup()
{
Serial.begin(9600);
}
void loop()
{
Serial.println("Hellow I am arduino");
delay(20);
}

复制代码

测试时用的是Arduino UNO

d. 固定IP地址

使用过SSH或VNC的人都会发现树莓派每次连接路由器都会分配一个随机的IP地址，这对重复登录造成了影响，因为每次重启树莓派后都需要查看新的IP地址才可以登录到树莓派，这对医生的工作造成了干扰，所以我在桌面环境下固定了树莓派的IP地址即设置树莓派的静态IP，这里我设置为192.168.1.111，这样每次登录都会使用这个IP地址，可以将其保存在菩提中每次双击就可以打开。PS：尝试过按照网上的教程修改文件内容的方式但是一直没有成功，最后在图像界面设置