基于NRF24L01的簡(jiǎn)易病房呼救系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

江琳

摘要：病房呼叫系統(tǒng)是一種用來(lái)聯(lián)系溝通醫(yī)護(hù)人員和病員的醫(yī)用必備設(shè)備。本設(shè)計(jì)方案是基于nRF24L01的無(wú)線多路簡(jiǎn)易病房呼叫系統(tǒng)，由AT89S52單片機(jī)、LCD1602顯示電路、按鍵模塊、電源模塊和nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊組成，以無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)主機(jī)與各從機(jī)間的通訊，主機(jī)和從機(jī)分別對(duì)應(yīng)醫(yī)院值班室和病房。該文從硬件和軟件方面闡述了該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。結(jié)果表明，該簡(jiǎn)易病房呼叫系統(tǒng)布線成本低、操作和安裝簡(jiǎn)單、易于維護(hù)。而且具有較強(qiáng)的抗干擾性能， 適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)等小型醫(yī)院及小型養(yǎng)老院。

關(guān)鍵詞：NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊； AT89S52單片機(jī)；病房呼救系統(tǒng)；聲光報(bào)警

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）35-0120-02

1 概述

當(dāng)前醫(yī)用呼叫控制系統(tǒng)已快速向智能化趨勢(shì)發(fā)展，系統(tǒng)功能也不斷增加。但目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)院病房、養(yǎng)老院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)的病房呼叫設(shè)備系統(tǒng)雖然功能多，性能較穩(wěn)定，但普遍成本高，安裝操作復(fù)雜，不適宜在鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院及小型養(yǎng)老院使用。本文針對(duì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院和小型養(yǎng)老院設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款基于nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊的簡(jiǎn)易病房呼救系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)試簡(jiǎn)單應(yīng)用，該系統(tǒng)具有成本低，易于操作、安裝和維護(hù)，而且具有較好的可靠性和穩(wěn)定性，不會(huì)對(duì)其他醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2 系統(tǒng)框架

按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能的要求，本文研究的病房呼叫系統(tǒng)主要是有主機(jī)部分和從機(jī)部分組成，共包括6個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、按鍵模塊、nRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊、LCD1602液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和電源模塊。整個(gè)系統(tǒng)采用nRF24L01收發(fā)模塊，作為無(wú)線距離的數(shù)據(jù)傳輸模塊。主機(jī)部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)處理、顯示以及報(bào)警。從機(jī)部分主要是病床病號(hào)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。發(fā)射與接收電路傳輸距離可達(dá)100m。接收到從機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)時(shí)，主機(jī)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警，提醒有病人呼叫，護(hù)理員按下主機(jī)的響應(yīng)鍵，取消對(duì)應(yīng)的呼叫。NRF24L01具有自動(dòng)重發(fā)功能、數(shù)據(jù)包識(shí)別及CRC校驗(yàn)功能，增強(qiáng)型ShockBurstTM模式可同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無(wú)需增加MCU的工作量。系統(tǒng)框架如圖1所示。

3 硬件模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從機(jī)部分負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集病床病人的輸入信號(hào)，采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后從NRF24L01無(wú)線模塊傳輸病號(hào)的信號(hào)編碼發(fā)送出去。從機(jī)電路原理圖如圖2所示。

NRF24L01無(wú)線模塊接收到采集端發(fā)送過(guò)來(lái)的病床序號(hào)數(shù)據(jù)后，將病床序號(hào)信息傳給單片機(jī)處理后，在LCD液晶上進(jìn)行顯示，當(dāng)接收到從機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)時(shí)，主機(jī)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報(bào)警，提醒有病人呼叫，護(hù)理員按下主機(jī)的呼應(yīng)鍵，取消對(duì)應(yīng)的呼叫。病房呼叫系統(tǒng)主機(jī)電路如圖3所示。

3.1 單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)采用STC89C52 單片機(jī)系統(tǒng)，由STC89C52單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路構(gòu)成。復(fù)位電路作用是確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，系統(tǒng)采用加電自復(fù)位的復(fù)位電路。時(shí)鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏，時(shí)鐘電路就是振蕩電路，是向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式的時(shí)鐘電路。單片機(jī)原理如圖4所示。

3.2 液晶顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器，能夠清晰的在液晶上顯示字符和數(shù)字，看到能讓人感覺(jué)到舒服感。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN，數(shù)據(jù)腳接單片機(jī)的P0口。

3.3 電源模塊

病床無(wú)線呼叫系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用3節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。本設(shè)計(jì)采用了ASM1117-3.3V的直流穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.3V，電容C4.C5.C6，C7濾波提供nRF24L01無(wú)線模塊的穩(wěn)定的3.3V電源。電源接口電路如圖8，其中DC5V為電池接口，SW1為電源開(kāi)關(guān)，R6為二極管的限流電阻，LED5為電源指示燈。

4.4 聲光報(bào)警模塊

病床無(wú)線呼叫系統(tǒng)主機(jī)中聲光報(bào)警電路采用NPN型S8550三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)的P1^3口輸出低電平時(shí)，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三幾個(gè)飽和導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)單片機(jī)的P1^3口輸出高電平時(shí)，三極管截止，聲光報(bào)警停止工作。具體電路圖如圖5所示：

3.5 無(wú)線傳輸模塊

病床無(wú)線呼叫系統(tǒng)采用NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊，該無(wú)線傳輸通過(guò)兩個(gè)發(fā)送端分別負(fù)責(zé)電能發(fā)射與接收。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，第一步，將NRF24L01模塊設(shè)置為發(fā)射模式；第二步，通過(guò)SPI口按照時(shí)序變化將接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD寫(xiě)入NRF24L01的緩存區(qū)；第三步，將CE置為10μs以上的高電平，等待延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)，如自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，NRF24L01進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號(hào)，收到應(yīng)答，表明此次通信成功，將TX_DS置高，同時(shí)清除TX_PLD，如未收到應(yīng)答，則自動(dòng)重新發(fā)射。接收數(shù)據(jù)時(shí)，第一步，將NRF24L01配置為接收模式，等待數(shù)據(jù)時(shí)同樣需要延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)；第二步，如接收方能夠檢測(cè)到CRC和有效地址時(shí)，開(kāi)始將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RX FIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開(kāi)啟，接收方則同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號(hào)。第三步，接收成功時(shí)，若CE變低，則NRF24L01進(jìn)入空閑模式。

注意NRF24L0l的所有的配置字都由配置寄存器定義，NRF24L01 的配置寄存器達(dá)25個(gè)，這些配置寄存器可通過(guò)SPI口訪問(wèn)。

3.6 硬件電路制作

病床無(wú)線呼叫系統(tǒng)硬件電路制作主要分為以下幾個(gè)步驟：

1） 繪制基本電路原理圖；

2） 焊接硬件電路；

3） 將接收端STC89C52單片機(jī)燒入液晶顯示程序，檢驗(yàn)液晶顯示有沒(méi)有問(wèn)題；

4） 將其中一片STC89C52與液晶及按鍵模塊相連，寫(xiě)入電表計(jì)數(shù)的程序。測(cè)試按鍵和液晶顯示；

5） 連接NRF24L01的收發(fā)部分與兩片STC89C52相連，寫(xiě)入發(fā)射程序并進(jìn)行檢測(cè)；

6） 整合顯示、收發(fā)、超聲波顯示按鍵程序，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送端能否正常發(fā)送，檢測(cè)報(bào)警參數(shù)的設(shè)置。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為主機(jī)和從機(jī)兩個(gè)部分，單片機(jī)采用查詢方式工作，不停地對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)從機(jī)單片機(jī)掃描到有按鍵按下時(shí)，通過(guò)nRF24L01無(wú)線傳輸芯片發(fā)送按鍵對(duì)應(yīng)地址碼，不同病房號(hào)通過(guò)編碼不同予以區(qū)分。從機(jī)收到地址碼后顯示相應(yīng)

病床號(hào)并報(bào)警，按下響應(yīng)鍵，再由nRF24L01芯片傳送給從機(jī)來(lái)取消響應(yīng)。

4.1 主機(jī)程序流程圖設(shè)計(jì)

主機(jī)程序流程圖設(shè)計(jì)如下所示：

主機(jī)接收到呼叫信號(hào)à存儲(chǔ)接收到的信號(hào)數(shù)據(jù)à調(diào)用軟

件部分的顯示子程序循環(huán)顯示à給呼叫器發(fā)送出回應(yīng)信號(hào)à再次置NRF24L01芯片于接收狀態(tài)等待信息。

4.2 從機(jī)程序流程圖設(shè)計(jì)

單片機(jī)掃描按鍵à如掃描到有按鍵按下，確定地址碼à設(shè)置NRF24L01為發(fā)射狀態(tài)à開(kāi)始地址碼傳送à將nRF24L01芯片設(shè)置回接收狀態(tài)等待確認(rèn)信息à進(jìn)入等待，如此循環(huán)工作。

5 總結(jié)

基于nRF24L01的簡(jiǎn)易病房呼救系統(tǒng)通過(guò)病區(qū)的數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)了醫(yī)護(hù)人員和病員之間的通信聯(lián)系。通過(guò)控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)調(diào)、軟件聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)仿真、仿真燒錄和現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試等幾個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)試運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了顯示病床號(hào)，報(bào)警提醒值班人員，多病床呼叫和信息保留等功能。系統(tǒng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有較高可行性，能夠?yàn)獒t(yī)院提供一個(gè)成本低、效率高、操作方便和易于安裝維護(hù)的快捷系統(tǒng)。可為小型醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)提供簡(jiǎn)便可行的醫(yī)護(hù)設(shè)備。

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