基于信号叠加和无线电的病房呼叫系统设计与实现

摘  要: 介绍了包括走廊主机、监控室主机、电脑上位机、手持式监控机和病床呼叫分机的病房呼叫系统。各床位的呼叫信号通过两根既作为信号传输又为各病床呼叫分机提供电源的电线发送到走廊主机，再由走廊主机以无线电的方式向监控室主机和手持式监控机发送。监控室主机和手持式监控机在接收到信号后将会做出相应处理和反应。本设计加入了无线电通信，提高了医务人员工作的灵活性，能在无线电覆盖范围的任何一个位置接收到病人的呼叫信号，保证了病人的呼叫信号能在第一时间得到响应，很大程度上保障了病人的身体健康和生命安全。
关键词： 病房呼叫系统; 信号叠加; 无线电; 上位机
   　病房呼叫系统是用于传送临床信息的重要手段，是病人在病床上直接请求帮助的呼叫工具。可以将病人的请求快速传递给值班医生或者护士，并在值班室监控中心电脑上做出相应的信息记录和警报。病房呼叫系统是提高医院和病室护理水平的必备设备之一。本文采用两线制信号和电源叠加的通信方式，主机与各床位呼叫分级仅需要两根线进行连接，这两根线既是传输线又是各分机的电源线，不但降低了布线成本，而且可以克服无线分机误报、经常更换分机电池的缺点。同时走廊监控主机和主监控室、手持式监控机可以采用无线的通信方式，既可以方便医务人员的巡视，同时又降低了主连接线的成本。在实际的医院病房中有很好的应用前景。
1 系统的总体设计
　系统整体框图如图1所示，主要由走廊监控主机及床位呼叫分机、监控室主机、手持式监控机三个部分组成。床位呼叫分机采用信号和电源进行叠加的方式与走廊监控主机相连。走廊监控主机、监控室主机、手持式监控机则采用无线通信方式，可使医生在接收病人的呼叫信号时更加灵活、方便。
   
   2 硬件设计
2.1  走廊主机
　走廊主机是安装在病房走廊中的装置，其结构框图如图2所示。信号调制的主要电路通过电源信号线不间断地向各个床位呼叫机发送计数脉冲和复位脉冲。数码显示可以通过按键实现显示控制[1]，在没有呼叫信号时，显示实时时间;有呼叫信号的时候显示病床分机号，并使能声光报警。利用无线电模块CC1100发送正在呼叫的床号信息。
   
   　信号调制电路如图3所示，其主要作用是将单片机的脉冲信号调制到15 V。使用15 V电压，在长距离传输信号的过程中能具有更强的抗干扰能力，以保证系统的稳定。
   
   　图3中，DATA为复位信号引脚，当DATA引脚为高电平时，三极管Q7、Q6、Q1均不导通，Q4、Q3导通，信号线上的A线电平被拉低，使各个床位呼叫分机全部复位，重新计数。SCLK为计数脉冲引脚，当DATA为低电平、SCLK为高电平时,Q2、Q1、Q6、Q7均导通，在信号线A线上会产生15 V和8 V的叠加电压，作为床位呼叫分机的计数脉冲信号;当SCLK为低、DATA也为低时,只有Q7和Q6导通,信号线上只有8 V的电压，此电压为各床位分机提供电源。其中三极管Q2、Q4、Q7起前级放大作用[2]。电阻R13为27 Ω/1 W的中功率电阻，起短路保护作用。当施工人员在安装过程中不小心将两根电线短路，或者在长期使用后，使得电线老化造成两根电线短路，由于此时有R13电阻,系统将不会形成很大的短路电流而造成床位呼叫分机被烧坏,从而保护了系统的安全。
2.2 床位呼叫机
     床位呼叫机采用计数方式实现床号的呼叫。图4中使用4个1N4148二极管接成整流电流的形式，其作用是将信号线上的电流进行整流,不区分两根信号线的正负，这样可以使得安装工人便于安装,不必记得哪根线是正，哪根是负。另外，床位呼叫机还采用三极管串联稳压，其过程是:VCC上升→Q3基极电压上升→Q3集电极电压下降→Q2基极电压上升→Q2集电极电压上升→Q1基极电压上升→Q1饱和变小→输出电压变小→完成稳压。其中改变电阻R4的阻值可以调节输出稳压的电压值[3]。经实验，此种稳压方案能够产生稳定的电压，使系统能稳定地工作。而且由于三极管的价格便宜，还可降低系统的成本。
     本系统的叫号分机中使用CD4040计数芯片来对各个床位进行地址编码。如图4所示，有CLK引脚输入计数脉冲，当且仅当计数器计到（QF：QA）为000111时Q7截止，Q6、Q5导通[4]。如果此时床位上的呼叫按钮S1按下接通，则信号灯将被点亮，并且将信号线上的电平拉低，给走廊主机发送呼叫信号。地址的编码原理是使用二进制进行编码，如图4编码二极管的连接方式代表的是（QF：QA）＝（000111），故该分机的编号即为7号。
   
   2.3  手持式监控机
　手持式监控机主要是通过CC1100接收呼叫信号,实现声光报警，并在LCD上显示。其功能框图如图5所示。
   
   
2.4 监控室主机
      监控室主机通过CC1100接收到的呼叫信号发送到上位机，由上位机显示出正在呼叫的床号，并且完成各种操作。其框图如图6所示。
   
   3 软件设计
3.1  走廊主机程序
　走廊主机程序在平时只需要扫描是否有呼叫信号，有即显示呼叫床位，没有则显示实时时间。床位分机控制时序如图7所示。有脉冲时，引脚SCLK发出计数脉冲，当计数到设定的上限值时，则从RST引脚输出一个复位脉冲，让所有床位呼叫机重新计数。如图7所示，如果在发送到第3个脉冲时，3号床位的呼叫按钮被按下，则会向走廊主机发送一个脉冲，走廊主机捕获此脉冲后，即可知道是哪个床位在呼叫，进而作相应的处理。走廊主机控制床位呼叫机流程图如图8所示。
   
   3.2 手持式监控机程序
　手持式监控机主要用于接收走廊主机通过无线电发送过来的信号，收到信号时，在显示出正在呼叫的床位的同时发出相应的声光报警。因为在医院中病房分为多个科室，而有可能每个科室都会安装一个走廊主机，此时手持式监控机就需要能够有选择地接收各个科室的呼叫信号，所以手持式监控机要能够设置监控组号。
　为了避免护士在携带手持式监控机的时候由于误操作而改变监控的组号，使用了长按的处理方式。即只有使用长按模式设置按键之后才能对组号进行设置，短按将不会有任何反应。
3.3 监控室主机程序
　监控室主机是安装在护士站里的接收设备，此设备主要接收由走廊主机通过无线电发送过来的呼叫信号，当接收到呼叫信号之后，立刻通过串口向上位机发送呼叫床号，由上位机进行处理。上位机接到呼叫床号信息后，在屏幕上显示相应的编号和床位信息。
4 测试结果和实际使用情况
4.1 有线传输距离
     实际测试表明，在使用铜丝线时，走廊主机与床位呼叫分机之间的有线通信距离在350 m以下通信稳定，基本无误码。当线长增加到400 m以上时，由于信号衰减得过大，造成误码率大幅度增加，甚至由于信号幅度太低导致分机不能工作。有线传输距离与通信误码率的关系如表1所示。
   
   4.2 无线传输距离
　在实际测试过程中，空旷环境下，通信距离在780 m以下通信基本上没有误码丢包的情况，在800~900 m之间处于丢包较严重区域，超过900 m为严重丢包。空旷无线传输距离与丢包率的关系如表2所示。
   
   　基于以上两种测试结果，为了保证通信可靠性，无线的通信距离最好不超过300 m。如果一定要超过这个范围，可适当增加无线中继器，这样系统就可以在大型的医院使用。目前，该系统在相关医院应用表明，该系统运行可靠，无误报率，用户反映良好。
参考文献
[1] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社出版，2003.
[2] 华成英，童诗白. 模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社出版，2006.
[3] 邱关源,罗先觉.电路（第五版）[M].北京：高等教育出版社出版，2006.
[4] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M]. 北京：高等教育出版社出版，2006.