基于信號疊加和無線電的病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

潘紹明，梁喜幸

(廣西工學(xué)院，廣西 柳州 545006)

病房呼叫系統(tǒng)是用于傳送臨床信息的重要手段，是病人在病床上直接請求幫助的呼叫工具?？梢詫⒉∪说恼埱罂焖賯鬟f給值班醫(yī)生或者護(hù)士，并在值班室監(jiān)控中心電腦上做出相應(yīng)的信息記錄和警報(bào)。病房呼叫系統(tǒng)是提高醫(yī)院和病室護(hù)理水平的必備設(shè)備之一。本文采用兩線制信號和電源疊加的通信方式，主機(jī)與各床位呼叫分級僅需要兩根線進(jìn)行連接，這兩根線既是傳輸線又是各分機(jī)的電源線，不但降低了布線成本，而且可以克服無線分機(jī)誤報(bào)、經(jīng)常更換分機(jī)電池的缺點(diǎn)。同時(shí)走廊監(jiān)控主機(jī)和主監(jiān)控室、手持式監(jiān)控機(jī)可以采用無線的通信方式，既可以方便醫(yī)務(wù)人員的巡視，同時(shí)又降低了主連接線的成本。在實(shí)際的醫(yī)院病房中有很好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主要由走廊監(jiān)控主機(jī)及床位呼叫分機(jī)、監(jiān)控室主機(jī)、手持式監(jiān)控機(jī)三個(gè)部分組成。床位呼叫分機(jī)采用信號和電源進(jìn)行疊加的方式與走廊監(jiān)控主機(jī)相連。走廊監(jiān)控主機(jī)、監(jiān)控室主機(jī)、手持式監(jiān)控機(jī)則采用無線通信方式，可使醫(yī)生在接收病人的呼叫信號時(shí)更加靈活、方便。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 走廊主機(jī)

走廊主機(jī)是安裝在病房走廊中的裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。信號調(diào)制的主要電路通過電源信號線不間斷地向各個(gè)床位呼叫機(jī)發(fā)送計(jì)數(shù)脈沖和復(fù)位脈沖。數(shù)碼顯示可以通過按鍵實(shí)現(xiàn)顯示控制[1]，在沒有呼叫信號時(shí)，顯示實(shí)時(shí)時(shí)間;有呼叫信號的時(shí)候顯示病床分機(jī)號，并使能聲光報(bào)警。利用無線電模塊CC1100發(fā)送正在呼叫的床號信息。

信號調(diào)制電路如圖3所示，其主要作用是將單片機(jī)的脈沖信號調(diào)制到15 V。使用15 V電壓，在長距離傳輸信號的過程中能具有更強(qiáng)的抗干擾能力，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖3中，DATA為復(fù)位信號引腳，當(dāng)DATA引腳為高電平時(shí)，三極管 Q7、Q6、Q1 均不導(dǎo)通，Q4、Q3 導(dǎo)通，信號線上的A線電平被拉低，使各個(gè)床位呼叫分機(jī)全部復(fù)位，重新計(jì)數(shù)。SCLK為計(jì)數(shù)脈沖引腳，當(dāng)DATA為低電平、SCLK 為高電平時(shí),Q2、Q1、Q6、Q7 均導(dǎo)通，在信號線A線上會產(chǎn)生15 V和8 V的疊加電壓，作為床位呼叫分機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖信號;當(dāng)SCLK為低、DATA也為低時(shí),只有 Q7和 Q6導(dǎo)通,信號線上只有8 V的電壓，此電壓為各床位分機(jī)提供電源。其中三極管 Q2、Q4、Q7起前級放大作用[2]。 電阻 R13為 27 Ω/1 W的中功率電阻，起短路保護(hù)作用。當(dāng)施工人員在安裝過程中不小心將兩根電線短路，或者在長期使用后，使得電線老化造成兩根電線短路，由于此時(shí)有R13電阻,系統(tǒng)將不會形成很大的短路電流而造成床位呼叫分機(jī)被燒壞,從而保護(hù)了系統(tǒng)的安全。

2.2 床位呼叫機(jī)

床位呼叫機(jī)采用計(jì)數(shù)方式實(shí)現(xiàn)床號的呼叫。圖4中使用4個(gè)1N4148二極管接成整流電流的形式，其作用是將信號線上的電流進(jìn)行整流,不區(qū)分兩根信號線的正負(fù)，這樣可以使得安裝工人便于安裝,不必記得哪根線是正，哪根是負(fù)。另外，床位呼叫機(jī)還采用三極管串聯(lián)穩(wěn)壓，其過程是:VCC上升→Q3基極電壓上升→Q3集電極電壓下降→Q2基極電壓上升→Q2集電極電壓上升→Q1基極電壓上升→Q1飽和變小→輸出電壓變小→完成穩(wěn)壓。其中改變電阻R4的阻值可以調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)壓的電壓值[3]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，此種穩(wěn)壓方案能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，使系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。而且由于三極管的價(jià)格便宜，還可降低系統(tǒng)的成本。

本系統(tǒng)的叫號分機(jī)中使用CD4040計(jì)數(shù)芯片來對各個(gè)床位進(jìn)行地址編碼。如圖4所示，有CLK引腳輸入計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)且僅當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到（QF：QA）為 000111時(shí) Q7截止，Q6、Q5導(dǎo)通[4]。如果此時(shí)床位上的呼叫按鈕S1按下接通，則信號燈將被點(diǎn)亮，并且將信號線上的電平拉低，給走廊主機(jī)發(fā)送呼叫信號。地址的編碼原理是使用二進(jìn)制進(jìn)行編碼，如圖4編碼二極管的連接方式代表的是（QF：QA）＝（000111），故該分機(jī)的編號即為 7 號。

2.3 手持式監(jiān)控機(jī)

手持式監(jiān)控機(jī)主要是通過CC1100接收呼叫信號,實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，并在LCD上顯示。其功能框圖如圖5所示。

圖5 手持式監(jiān)控機(jī)框圖

2.4 監(jiān)控室主機(jī)

監(jiān)控室主機(jī)通過CC1100接收到的呼叫信號發(fā)送到上位機(jī)，由上位機(jī)顯示出正在呼叫的床號，并且完成各種操作。其框圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)控主機(jī)框圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 走廊主機(jī)程序

走廊主機(jī)程序在平時(shí)只需要掃描是否有呼叫信號，有即顯示呼叫床位，沒有則顯示實(shí)時(shí)時(shí)間。床位分機(jī)控制時(shí)序如圖7所示。有脈沖時(shí)，引腳SCLK發(fā)出計(jì)數(shù)脈沖，當(dāng)計(jì)數(shù)到設(shè)定的上限值時(shí)，則從RST引腳輸出一個(gè)復(fù)位脈沖，讓所有床位呼叫機(jī)重新計(jì)數(shù)。如圖7所示，如果在發(fā)送到第3個(gè)脈沖時(shí)，3號床位的呼叫按鈕被按下，則會向走廊主機(jī)發(fā)送一個(gè)脈沖，走廊主機(jī)捕獲此脈沖后，即可知道是哪個(gè)床位在呼叫，進(jìn)而作相應(yīng)的處理。走廊主機(jī)控制床位呼叫機(jī)流程圖如圖8所示。

3.2 手持式監(jiān)控機(jī)程序

手持式監(jiān)控機(jī)主要用于接收走廊主機(jī)通過無線電發(fā)送過來的信號，收到信號時(shí)，在顯示出正在呼叫的床位的同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的聲光報(bào)警。因?yàn)樵卺t(yī)院中病房分為多個(gè)科室，而有可能每個(gè)科室都會安裝一個(gè)走廊主機(jī)，此時(shí)手持式監(jiān)控機(jī)就需要能夠有選擇地接收各個(gè)科室的呼叫信號，所以手持式監(jiān)控機(jī)要能夠設(shè)置監(jiān)控組號。

圖7 床位呼叫機(jī)控制時(shí)序圖

圖8 走廊主機(jī)控制床位呼叫機(jī)流程圖

為了避免護(hù)士在攜帶手持式監(jiān)控機(jī)的時(shí)候由于誤操作而改變監(jiān)控的組號，使用了長按的處理方式。即只有使用長按模式設(shè)置按鍵之后才能對組號進(jìn)行設(shè)置，短按將不會有任何反應(yīng)。

3.3 監(jiān)控室主機(jī)程序

監(jiān)控室主機(jī)是安裝在護(hù)士站里的接收設(shè)備，此設(shè)備主要接收由走廊主機(jī)通過無線電發(fā)送過來的呼叫信號，當(dāng)接收到呼叫信號之后，立刻通過串口向上位機(jī)發(fā)送呼叫床號，由上位機(jī)進(jìn)行處理。上位機(jī)接到呼叫床號信息后，在屏幕上顯示相應(yīng)的編號和床位信息。

4 測試結(jié)果和實(shí)際使用情況

4.1 有線傳輸距離

實(shí)際測試表明，在使用銅絲線時(shí)，走廊主機(jī)與床位呼叫分機(jī)之間的有線通信距離在350 m以下通信穩(wěn)定，基本無誤碼。當(dāng)線長增加到400 m以上時(shí)，由于信號衰減得過大，造成誤碼率大幅度增加，甚至由于信號幅度太低導(dǎo)致分機(jī)不能工作。有線傳輸距離與通信誤碼率的關(guān)系如表1所示。

表1 有線傳輸距離與通信誤碼率的關(guān)系

4.2 無線傳輸距離

在實(shí)際測試過程中，空曠環(huán)境下，通信距離在780 m以下通信基本上沒有誤碼丟包的情況，在800～900 m之間處于丟包較嚴(yán)重區(qū)域，超過900 m為嚴(yán)重丟包?？諘鐭o線傳輸距離與丟包率的關(guān)系如表2所示。

表2 空曠無線傳輸距離與丟包率的關(guān)系

基于以上兩種測試結(jié)果，為了保證通信可靠性，無線的通信距離最好不超過300 m。如果一定要超過這個(gè)范圍，可適當(dāng)增加無線中繼器，這樣系統(tǒng)就可以在大型的醫(yī)院使用。目前，該系統(tǒng)在相關(guān)醫(yī)院應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，無誤報(bào)率，用戶反映良好。

[1]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社出版，2003.

[2]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M].北京：高等教育出版社出版，2006.

[3]邱關(guān)源,羅先覺.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社出版，2006.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）[M].北京：高等教育出版社出版，2006.