医院无限护理呼叫系统设计.docx
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医院无限护理呼叫系统设计
医院无线护理呼叫系统的设计
医院无线护理呼叫系统的设计
第1章绪论
病床呼叫系统是病人请求值班医生或护士进行诊断或护理的紧急呼叫工具。
可将病人的请求快速传送给值班医生或护士，是提高医院和病室护理水平的必备设备之一[1]。
1.1课题意义及相关研究动态
伴随着医疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的人们需要迅捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，这必将使医院之间的竞争日趋激烈。
这使得衡量一个医院的综合水平高低，不再仅仅局限于软、硬件的建设上，更要比服务。
原有的服务体系已不足以适应现代社会需求，谋求适合现代社会需求的客户服务系统，是所有企事业单位计划做或正在做的工作。
这些工作有利于改善服务量，提高效率并增加企业效益，从而赢得良好的社会声誉。
如何利用先进的信息技术为医院服务，更大程度的提高医院的服务质量及利润，是医院信息化建设中的一个重要着眼点[2]。
医院的竞争越来越激烈，商业医院的生存是第一位的，提升档次和服务质量迫在眉睫，陪护问题一直是医患矛盾的主体，也是长期困扰卫生系统服务质量的大问题，使用无线呼叫系统，方便病人更快找到医生，以节约病人的宝贵时间[3]。
临床呼叫求助装置是传送临床信息的重要手段，关系病员安危，传统的有线呼叫系统历来受到各大医院的普遍重视。
如果采用无线传输，会节约布线和改造线路的资金，为医院节约成本，并且及时、准确、可靠，简便可行，必然比目前的同类产品更能受到医院及病人的认可，有更强的竞争力，必然能大量推广[4]。
数据的碰撞问题即无线通信中的多路存取问题。
我们把多个通信通路竞争一个通信信道的通信方式叫做多路存取。
由于每个通信通路都有规定的通路容量， 且通路容量是由这个通信通路的最大数据传输率以及供它使用的时间片确定的， 故分配给每个用户的通路容量必须满足：
当有多个发射器同时把数据传输给同一个接收器时，不能出现互相干扰[5]。
传统的病房呼叫系统采用的都是有线传输，很难做到隐蔽和美观，安装维护都不方便，抗电气干扰能力也不强[6]。
为克服以上的不足，本文介绍一种无线的病房呼叫监护系统，医院的病房里每个床位边都装有一个呼叫按钮，当病人需要帮助时，按下呼叫按钮，护土办公室里呼叫显示板上相应房间号的指示灯点亮并报警，值班护土一看就知道哪个房间的病人需要帮助或需要进行抢救。
在走廊里也安装一个显示牌，为便于护士查看。
具有如下特点：
应用单片机进行编译码，可实现多点无线寻呼，互不干扰，并且扩展方便。
呼叫者按动按钮后，系统在显示呼叫者病床号同时，电路发出报警声。
若同时有多处呼叫时，先将呼叫者地址存储，再排队循环显示，并可以翻查或删除记录。
有效隔离电气干扰，增加系统操作的安全性和可靠性。
工作稳定可靠，使用灵活方便。
对无线呼叫系统来说，中央服务器与呼叫器之间只存在很短的动作周期， 这种周期被较长的不等非工作间歇所中断。
呼叫器发出的数据在数十毫秒的时间内被鉴别，读出和写入，接着，主机在较长的时间内不会接收到呼叫器发出的信号。
但这并不意味我们不需要考虑多个呼叫器同时向服务器传输数据的可能性。
我们需要的是一种高效的多路存取法，使用户感觉不到时间的损失就完成了数据的区分、显示及对用户的响应。
由于单片机具有功能强、体积小、价格低等一系列优点，在各个领域都有广泛的应用，有力地推动了各行各业的技术改造和产品更新换代。
近年来设计生产的呼叫器已普遍采用了单片机，使其功能大为增强。
同时，值班室与病房间的连线也大大减少，布线简洁方便，迎合了医院追求环境整洁的需要。
即便如此，但还是无法摆脱电线的束缚，布线麻烦，遇到病房扩建或改造，系统则需要重新布线，产品的重复使用率低，致使成本增加，需要新一代的产品来改善。
目前市售的各种呼叫器均不具备记录功能，而在临床实践中发现，如果遇到几个病床同时呼叫，则会造成数据丢失，浪费病人宝贵时间。
如果主机如能记录同时呼叫的床号存储起来、这对于医生的护理将大有好处。
本文使用AT89C51单片机为核心开发设计新型分布式呼叫系统，每个分机有唯一的地址码，主机对呼入的号码进行存储，确保呼叫信息不丢失，终端数码管循环显示呼叫地址及声音报警，并采用专用的无线收发芯片，使系统稳定可靠。
并且主机在发送呼叫信息前先发出握手信息，然后等待主机的回应，得到回应后再发送地址信息，防止发生与其他分机呼叫发生冲突，造成主机解码错误[7]。
1.2课题要求
利用无线收发模块，设计出多路医院无线护理呼叫系统，使病人能随时呼叫护士，同时在走廊显示病床号，具体要求如下：
1．病人按分机上的按扭，主机的LED屏立即显示呼叫的床位。
2．可服务于多个个床位，并可以扩展。
3．每台分机使用拨盘开关确定地址，可以随意设置，并且分机在呼叫主机时互不干扰，互不串号。
4．采用高频技术，呼叫距离500米左右，性能稳定可靠。
5．当护理人员离开岗位时，主机自动储存最新呼叫的病床号码。
6．主机循环显示最新呼叫的病床的号码。
7．护理人员已经服务过的病床可立即删除该床位号码，避免多个服务员重复服务于一个床位。
1.3系统主要技术性能指标
1．最大分机容量：
256门
2．最远距离：
800米
3．电源：
主机交流220V 50Hz市电 分机2节1.5V电池
4．发射频率：
433MHZ
5．工作温度：
-20CO ～+40CO
6．功耗：
主机〈5W 分机〈1W
第2章方案论证及选择
针对课题要求和参数，现有有线和无线两种方式可以实现，有线传输采用总线分时响应，无线有双音多频（DTMF）编码和射频元件单片机控制方案，下面对目前主流的方案进行介绍。
2.1方案论证
2.1.1采用有线分区响应集中控制方案
该方案系统构成框图和原理框图分别如图2.1和图2.2所示。
从系统方框图可以看出，各呼叫单元和响应单元用总线方式相联。
内部总线包括数据线DATA、呼叫线LINE、+5V、GND。
其中+5V为各呼叫单元和响应单元提供工作电源，DATA线上传送主机发出的地址串行码，用于选通指定的呼叫单元或响应单元，LINE线则用来检测是否有呼叫请求[8]。
主机通过一条内部总线与系统各部件相连,构成说明如下：
1．系统主机由控制器、发码器、线路状态检测器等构成。
2．各呼叫单元由解码器、电子开关、呼叫按钮等构成。
3．各响应单元由解码器、显示器、蜂鸣器等构成。
主机将众多呼叫单元分为若干组，每一组呼叫单元与一响应单元构成一个分区，分区内的呼叫按钮由这一响应单元管理。
主机中控器通过发码器向各呼叫单元发码扫描、如线路状态检测器检测到LINE上出现有效电平，则当前地址的呼叫按钮—定有呼叫请求。
于是主机通过DATA线发码选通这一呼叫按钮所在分区的响应单元，并发送呼叫按钮号码信号，响应单元的解码器解码成功后，打开蜂鸣器发出提示音，并在显示器上显示呼叫按钮号码。
图2.1系统结构框图
图2.2系统原理示意图
该方案将上千个呼叫按钮并接在一条总线上，与电力线的布局完全相同，且对呼叫信号采取分区响应集中控制的措施，是一种容量大、响应快的总线型结构呼叫系统。
但是本系统成本还是摆脱不了有线的束缚，有线寻呼仍然无法避免布线繁琐，成本高，扩展和修理困难的问题。
2.1.2采用DTMF编码方案
该方案采用和家用无绳电话相似的原理，系统由呼叫器和主机组成，原理框图如图2.3和图2.4所示。
图2.3呼叫器原理方框图
图2.4接收器原理方框图
采用该方案需要参照我国1985年对开发和使用无绳电话的行政管理规定，规定无绳电话机的工作频点为20组．每组频道间隔为25kHz．无绳电话机座机的发射功率不得超过50mW、手机发射功率不得超过20mW，以及其它规定都必须遵照执行，并且需要申请相关许可证。
由于发射功率较小，发射距离受到很大约束，若传输距离较远，则需要加装转发器和多路控制器。
且系统的容量较小，需要采用随机请求按需分配方式的一点多址通信协议（纯ALOHA协议）[9]。
该无线方案能实现呼叫的功能，但是传输距离近，系统容量小。
而且电路复杂，造成成本高，呼叫器体积也不可能做的很小，而且很难保证工作稳定，增加了故障发生几率。
2.1.3射频元件和单片机控制方案
该方案系统由呼叫器和主机构成，使用射频收发芯片，使系统工作在ISM频段433MHz附近，该频段无需申请许可证。
使用单片机编码/解码，每个呼叫器有一个唯一的识别码，并且识别码可以随时修改。
当用户按发射键后，识别码被发射出去，等待接收器的响应，主机接收到服务申请后，根据识别码鉴定出是由哪一台呼叫器发出的申请，并给出声音提示和显示呼叫器的识别号。
如果有几个呼叫器在短时间里同时呼叫，主机则按照先后顺序存储起来，在按顺序轮换显示[10]。
系统方框图如图2.5和图2.6所示。
图2.5呼叫器原理方框图
图2.6接收主机原理方框图
该方案原理简洁，由于使用集成度很高的芯片，同时使用单片机编码，由拨码开关确定呼叫器地址号，所以该系统扩展十分方便，只需要增加呼叫器的数量就可以，具有很多传统呼叫系统不具备的优点。
2.2方案选择
方案一为有线呼叫系统，发生故障后，查询和排除故障非常麻烦，有线呼叫系统还需另外支付布线材料费和人工费，其总价比无线产品高很多，遇到科室改建或扩建，原系统必须拆除，有线产品的重复使用率低，致使成本增加，所以传统的有线呼叫系统已经没有很大的开发价值。
方案二采用DTMF编码，使用的频段需要遵照国家相关法律，法律对这个频段的无线电设备有严格要求，并且需要申请相关许可证，该方案电路比较复杂，造价相对也高很多，并且想要增加分机数量还需要对主机进行相应改变，扩展起来比较麻烦。
方案三使用专用的射频模块，并使用单片机控制，原理简单，主要功能靠单片机编程实现，使用的芯片集成度高，性能稳定，节能并且造价相对也低。
通过对以上三种方案的比较，所以这里将使用第三种方案。
第3章系统硬件设计
系统分为呼叫分机和接收主机，分机用来进行呼叫，编码使用单片机完成，分机的核心电路即是单片机与射频芯片的连接电路。
主机负责接收分机发来的信号，并进行解码、显示和报警，主机上还设有键盘用于翻查和删除，所以主机上应接有键盘、显示和报警电路。
3.1系统原理框图
系统的主要原理框图见图3.1和图3.2。
图3.1呼叫分机原理框图
图3.2接收主机原理框图
3.2主要元器件介绍
在该系统中将使用射频芯片nRF401做无线收发芯片，主机使用单片机AT89C51解码器和控制器，分机使用AT89C2051作为编码器和控制器，下面对这几个芯片做详细介绍。
3.2.1nRF401介绍
1.nRF401主要性能
nRF401是挪威NordicVLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433MHzISM（工业、科研和医疗）频段工作而设计。
所有高频元件包括电感、滤波器、振荡器都全部集成在芯片内部，使得它性能稳定、一致性好、成本低、体积小，它是目前集成度最高的无线数传产品。
该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。
nRF401的外围元件很少，仅10个左右。
只包括一个4MHz基准晶振（可与MCU共享）、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。
主要技术特性见表3.1所示，其内部结构如图3.4所示。
表3.1nRF401主要技术指标
参数
数值
单位
频率，频道1/频道2
433.92/434.33
MHZ
调制方式
FSK
调制度
±15
KHZ
最大输出发射功率@400，3V
10
dBm
灵敏度@400Ω，BR=20kbit/s
-105
dBm
最大速率
20
Kbit/s
工作电压
2.7-5.25
V
接收电流
250
uA
发射电流@-19dBm输出
8
mA
待机电流
8
uA
图3.4 nRF401内部框图
nRF401使用具有较强抗干扰能力的FSK频率（Frequency-ShiftKeying）调制方式，改善了噪声环境下的系统性能，采用DSS+PLL频率合成技术，工作频率稳定可靠。
与ASK幅移键控（Amplitude-ShiftKeying）和OOK开关键（On-OffKeying）方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合[11]。
其主要特性如下:
1．工作频率为国际通用的数传频段，
2．FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合，
3．采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好，
4．灵敏度高，达到-105dBm（nRF401），
5．功耗小，接收状态250mA，待机状态仅为8uA，
6．最大发射功率达+10dBm。
7．低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求。
8．具有多个频道，可方便地切换工作频率。
9．工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）。
10．仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试。
11．因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米（与具体使用环境及元件参数有关） [12]。
nRF401无需外接昂贵的变容二极管，而其他竞争产品大多需要外接变容二极管、声表面波滤波器件等。
这些芯片一般需要进行曼彻斯特编码后才能传输，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率（实际速率）的1/3，因此大大增加了软件的工作量和产品开发的难度。
而nRF401系列独特的技术可以直接传送单片机串口数据，应用及编程非常简单，抗干扰能力强，传送的效率很高，且使用很方便。
nRF401采用小型20引脚SSOP封装，管脚数和体积最小，采用非常紧凑的电路板布局，有利于减少PCB面积，降低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。
3V直流电源供电。
接收电流低，仅为11mA，而且在轮流检测（Polling）模式时可以通过周期性暂停的方法使其更低，以延长电池寿命。
它还提供进一步降低电流消耗的待机模式。
nRF401另一个非常重要的特性是主机的频带外阻抗很高（out-of-bandblocking），这意味着它不需要外部声表面波（SAW）滤波器。
此外nRF401的解调器是DC平衡的，因此可以使用任何一种协议，也可以使用各种‘0’、‘1’序列，因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。
nRF401的串口可以与任何单片机接口，也不需要进行设置，应用及编程非常简单，可直接传输串口数据，传送的效率很高，是一种能方便地与各种单片机配合使用的方案。
2.nRF401引脚介绍
nRF401的引脚如图3.5所示，各引脚功能如下：
图3.5nRF401引脚图
CS：
频道选择，CS=0选择工作频道1，即433.92MHz；CS=1选择工作频道2（即434.33MHz）。
连接AT89C51的P2.5脚。
DOUT：
数据输出，连接AT89C51串口RXD。
DIN：
数据输入，连接AT89C51串口TXD。
PWR-UP：
节能控制，PWR-UP=1正常工作状态，PWR-UP=0低功耗节能状态。
连接AT89C51的P2.6脚。
TXEN：
发射接收控制，TXEN=1时，nRF401为发射状态。
TXEN=0时，nRF401为接收状态。
连接AT89C51的P2.7脚。
ANT1和ANT2是接收时信号的输入，以及发送时功率放大器的输出。
连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。
在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆。
3.10是一个典型的采用差分方式的原理图。
射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入。
为了减少分布参数的影响，在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必须离nRF401尽可能的近。
nRF401的电源必须经过很好的滤波，并且与数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。
PCB板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连，再将VSS脚连接到敷铜面。
所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。
3.nRF401的典型连接
图3.6nRF401典型连接图
nRF401的典型应用连接图如图3.6所示，可直接用于单片机或计算机RS-232串口异步传输．
从图中可以看到，外围元件很少，包括一只基准晶振及几只无源器件，没有调试部件，天线用微带天线直接设计在线路板上，这给研制及生产带来了极大的方便。
图中L1电感需要用高Q值高精度的贴片绕线高频电感（Q>45），晶振X1需要用高稳定晶振，电容元件应选用高稳定贴片元件如NPO高稳定电容，以确保性能。
nRF401是单片集成收发芯片，可工作于433.92MHz/434.33MHz两个频道，最大数据传输率为20kbps，调制方式为FSK，功耗低，且发射功率可以调整，最大发射功率为+10dBm。
当工作于待机模式时，待机电流仅为8uA，因此很适合用于便携式的无线通信设备中。
连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。
在实际设计中，呼叫器的天线采用差分环型天线，这种天线可直接刻蚀在PCB板上，使用起来十分方便。
3.2.2单片机AT89C51介绍
1.AT89C51主要功能
ATMEL的AT89C51是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。
AT89C51是一个低功耗高性能单片机，它有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
AT89C51具有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能的单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C2051单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[13]。
2.AT89C51引脚介绍
AT89C51的引脚如图3.7所示，各引脚功能如下：
图3.7AT89C51引脚图
Vcc：
供电电压。
Vss：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊管脚备选功能，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是，每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号,在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET，当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
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