基于GSM和PIC单片机的无人清洁护理机的设计

摘要：文章以PIC单片机为“家庭长期卧床病人大小便清洁护理机”的主控制器，完成护理机各项参数的实时检测与控制，利用GSM模块TC3 5i将护理机报警信息以“手机短信”的形式实时发送到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，创新性地实现了护理机的“无人护理”功能。该设计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的难题，将产生很大的经济效益和社会效益。
关键词：PIC单片机；GSM模块：传感器；无人护理功能

0 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。