基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系統(tǒng)

姜濤，楊學(xué)存

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊，830000；2.西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安，710054）

0 引言

在信息時(shí)代的今天，醫(yī)療體系改革也逐漸和信息化接軌，病房呼叫系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的患者與護(hù)士的通信手段，其功能也越來(lái)越豐富，己經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)院對(duì)病人救護(hù)的不可或缺的設(shè)備。隨著“無(wú)線城市”概念的提出，WiFi 無(wú)線通信技術(shù)得到了迅速發(fā)展，采用WiFi無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)主控中心與病房終端的通信，不僅使通信更可靠，成本低，而且增加了主控中心的便捷性，克服了有線呼叫布線的困難和無(wú)線呼叫ZigBee的抗干擾能力差、距離近、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點(diǎn)[1]-[3]。因此本文將研究基于WiFi的多功能病床呼叫系統(tǒng)。研究?jī)?nèi)容包括病床呼叫終端的供電、主控電路、通信接口和通信協(xié)議、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。既可以幫助病人快速的呼叫醫(yī)護(hù)人員，也可減輕醫(yī)護(hù)人員巡視病房的辛勞，減輕醫(yī)護(hù)人員值班的心理壓力，在無(wú)呼叫時(shí)放心的做好其他醫(yī)護(hù)工作，從而提高了醫(yī)護(hù)效率。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

本設(shè)計(jì)將嵌入式技術(shù)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，以嵌入式微處理器和ESP8266無(wú)線模塊等外圍器件組成整個(gè)醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)的平臺(tái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)利用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4]-[5]。除了有傳統(tǒng)的無(wú)線呼叫功能外，還具有輸液檢測(cè)功能。輸液檢測(cè)由電容傳感器測(cè)得的靜脈輸液吊瓶液位的參數(shù)，進(jìn)行模擬量信號(hào)的處理，再傳送給ESP8266無(wú)線模塊。然后ESP8266無(wú)線模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)信息傳送至護(hù)士站，進(jìn)行無(wú)線通信。最后經(jīng)過(guò)嵌入式微處理器處理的信號(hào)通過(guò)RS232總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，最后在上位機(jī)的液晶顯示屏上顯示各個(gè)病房當(dāng)前的呼叫狀況以供護(hù)士人員作出相應(yīng)應(yīng)答，從而實(shí)現(xiàn)醫(yī)院病床的呼叫系統(tǒng)。系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)以下功能：對(duì)呼叫的提示以及顯示功能；床號(hào)、呼叫內(nèi)容和呼叫時(shí)間顯示功能；呼叫回復(fù)功能；呼叫記錄、顯示、翻查和統(tǒng)計(jì)功能；液晶顯示功能，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能。無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要硬件模塊設(shè)計(jì)

2.1 鍵盤電路硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件采用3×3行列式鍵盤，鍵盤的連接電路如圖2所示。該行列式鍵盤行線需要接入上拉電阻上拉到+3.3V電壓，按鍵的兩個(gè)引腳分別連接到行線和列線上。在沒有按鍵被按下的情況下，行線時(shí)鐘保持為高電平狀態(tài)，而一旦有鍵被按下的時(shí)候，行線則被拉為低，此時(shí)STM32掃描到有鍵被按下，轉(zhuǎn)入按鍵處理函數(shù)，處理按鍵請(qǐng)求。

圖2 按鍵電路

進(jìn)行鍵盤掃描的過(guò)程是把所有的行線先全部置為高電平，然后把每一列輪流設(shè)置為低電平，然后掃描行線，若那一行變?yōu)榈碗娖絼t可知道哪一行有鍵被按下，然后讀取所有行列線I/O口的值，與存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的碼值比較，確定那個(gè)鍵被按下。為了保證按鍵處理安全可靠，還要在軟件中加入延時(shí)，去抖動(dòng)函數(shù)，以防止誤操作發(fā)生。

圖3 ULN2003AN步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

2.2 基于病床控制的步進(jìn)電機(jī)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的主要控制對(duì)象是28BYJ-48型減速步進(jìn)電機(jī)，所以選擇常用的可以驅(qū)動(dòng)7路負(fù)載的ULN2003AN為驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003AN屬于高耐壓、大電流達(dá)林頓系列，它由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成，吸收電流可達(dá)500mA，輸出耐壓50V，具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。其內(nèi)部具有7組達(dá)林頓管電路，可以驅(qū)動(dòng)7路負(fù)載。IN0～I(xiàn)N7為七路輸入信號(hào)控制端可與單片機(jī)引腳直接相連控制，當(dāng)輸入端口信號(hào)為高電平時(shí)，輸出端口OUT-1～OUT7輸出信號(hào)為低電平。電路圖如圖3所示。

2.3 基于電容傳感器的非接觸式液位傳感器模塊設(shè)計(jì)

智能型非接觸式液位感應(yīng)器是利用水的感應(yīng)電容來(lái)檢測(cè)是否有液體存在[6][7]，在沒有液體接近感應(yīng)器時(shí)，感應(yīng)器上由于分布電容的存在，因此感應(yīng)器對(duì)地存在一定的靜態(tài)電容，當(dāng)液面慢慢升高接近感應(yīng)器時(shí)，液體的寄生電容將耦合到這個(gè)靜態(tài)電容上，使感應(yīng)器的最終電容值變大，該變化的電容信號(hào)再輸入到控制IC進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，將變化的電容量轉(zhuǎn)換成某種電信號(hào)的變化量，再由一定的算法來(lái)檢測(cè)和判斷這個(gè)變化量的程度，當(dāng)這個(gè)變化量超過(guò)一定的閾值時(shí)就認(rèn)為液位到達(dá)感應(yīng)點(diǎn)。如圖4所示。

圖4 液位傳感器電路圖

該液位傳感器外接+5V的電源，輸出為5V，但STM32能夠接受的電壓為3.3V，故經(jīng)過(guò)一個(gè)分壓電阻將5V分壓為3.3V，將3.3V接到控制器的PB1引腳上。傳感器模式選擇為低電平有效。當(dāng)液面低于測(cè)量高度時(shí)，傳感器指示燈滅并輸出信號(hào)。

2.4 基于ESP8266的WiFi模塊硬件設(shè)計(jì)

ESP8266芯片是一個(gè)自成體系、完整的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案[8][9]。本次設(shè)計(jì)所使用的ESP8266屬于串口型的，它的速度比較低，不能傳輸視頻或者圖像這些大容量的數(shù)據(jù)。安信可公司推出的ESP8266-WiFi模塊有很多，它們使用的方法都大同小異，簡(jiǎn)單易操作。本次設(shè)計(jì)使用的普中STM32開發(fā)板預(yù)留有ESP8266-WiFi模塊接口，可以將此模塊直接接入開發(fā)板接口，無(wú)需額外連線。

ESP8266-WiFi模塊支持ST/AP/ST+AP三種工作模式。利用 ESP8266 可以實(shí)現(xiàn)十分靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜徒M網(wǎng)方式。本次設(shè)計(jì)選用的是ST+AP模式。ESP8266-WiFi模塊與STM32接口電路如圖5所示。

圖5 ESP8266-WiFi模塊與STM32接口電路

該模塊外接電源為+3.3V，不能接5V。若想從FLASH啟動(dòng)進(jìn)入AT系統(tǒng)，只需CH-PD引腳接上拉或接VCC（不接上拉的情況下，串口可能無(wú)數(shù)據(jù)），其余三個(gè)引腳可選擇懸空。在CH-PD和VCC之間焊接電阻 后，將 VCC、UTXD、URXD、GND連上USB-TTL即可進(jìn)行測(cè)試。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式病床呼叫系統(tǒng)的主流程圖如圖6所示[10]。系統(tǒng)上電初始化后進(jìn)入，配置WiFi的工作模式，等待連接護(hù)士站的服務(wù)器，如果不能連接將在此重置WiFi模塊，直到連接服務(wù)器。連接服務(wù)器后開始進(jìn)行紅外遙控的檢測(cè)和按鍵的檢測(cè)，判斷是否開啟自動(dòng)液位檢測(cè)，如果開啟自動(dòng)檢測(cè)，將自動(dòng)檢測(cè)模式選擇功能，手動(dòng)控制模塊包括語(yǔ)音輸入、按鍵輸入兩種輸入方式，在手動(dòng)模式下當(dāng)檢測(cè)到有語(yǔ)音輸入或者掃描到有按鍵按下時(shí)，病房走廊進(jìn)行顯示和報(bào)警，并通過(guò)WiFi模塊經(jīng)路由器送至護(hù)士站監(jiān)控室，顯示呼叫病房的信息，護(hù)士即可進(jìn)行相應(yīng)的處理。在自動(dòng)模式下，通過(guò)檢測(cè)電容式液位傳感器電容的大小，判斷液位的變化，將液位的變化信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供處理器識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。然后進(jìn)行報(bào)警和顯示，并將呼叫信息通過(guò)路由器傳送至護(hù)士站監(jiān)控室。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)完成之后，就能構(gòu)成了一個(gè)完整的系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)由STM32處理器、紅外遙控模塊、DS18B20溫度測(cè)量模塊、煙霧檢測(cè)與報(bào)警模塊、液位自動(dòng)檢測(cè)模塊、病房呼叫語(yǔ)音播報(bào)模塊、按鍵模塊、TFT顯示模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)物圖如圖7所示，上位機(jī)的監(jiān)控畫面如圖8所示。

圖8 護(hù)士站有呼叫信號(hào)時(shí)的監(jiān)控畫面

5 結(jié)論

本論文主要論述了醫(yī)院住院病房呼叫系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作，從系統(tǒng)目前的運(yùn)行效果和測(cè)試結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊都達(dá)到了預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了病房呼叫系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)和要求。完成了系統(tǒng)下位機(jī)硬件及軟件的設(shè)計(jì)與測(cè)試，使用STM32位控制器，實(shí)現(xiàn)靜脈輸液液位的自動(dòng)檢測(cè)，無(wú)煙病房的煙霧自動(dòng)報(bào)警，床鋪的升降控制，呼叫請(qǐng)求的顯示，以及呼叫請(qǐng)求的聲光報(bào)警等要求。完成了系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與測(cè)試，并使用Visual Basic制作了的數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)表，對(duì)來(lái)自病房的呼叫信號(hào)實(shí)現(xiàn)了顯示報(bào)警和存儲(chǔ)功能，方便以后查詢使用。