電力載波通信病房呼叫系統設計

引言

現有的病房呼叫系統一般采用的是有線傳輸技術，在病房裝修前就以鋪好傳輸線路，優點是傳輸穩定，但同時也存在著一個致命的缺陷，那就是要更換病房位置必須要重新進行布線，在安裝繁瑣的同時成本也很高，而本文著重研究的是以電力線為傳輸媒介來進行信號間傳輸的病房呼叫系統，可利用現有的電力線資源作為通信信道，避免了傳統繁瑣的布線過程。同時相對于ZigBee無線通信技術，在同樣方便快捷的基礎上，電力載波的擴展性更好，可靠性更高，抗干擾能力較好，同時由于電力線布于墻內，硬件相對更安全，不易損壞。

系統總體結構

系統網絡組成

病房呼叫系統網絡結構是由病區護士站的主機控制系統和分別設置在病房床頭、病房衛生間的呼叫器組成。主機和呼叫器利用現有的電力線資源來進行信息間的傳輸。

電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。PLC的最大特點：不需要重新架設網絡，只要有電線，就能進行數據傳遞，無疑成為了解決病房呼叫系統數據傳輸的最佳方案之一。同時因為數據僅在醫院這個范圍中傳輸，束縛PLC應用的5大困擾將在很大程度上減弱，PLC調制解調模塊的成本也遠低于無線模塊。目前，世界上最大的有線網絡是電力線網絡，利用電力線網絡有以下優勢：

(1)充分利用電力線資源，進行資源整合和再利用，符合現代發展的趨勢；

(2)通過電力載波技術，利用現有的電力線資源，無需施工布線，并且安裝方便，對于已經裝修完畢而沒有預留布線位置的醫院是最佳的選擇；

(3)相對無線技術，電力線載波通信技術不會存在由環境復雜所帶來的通信間干擾問題；

(4)各呼叫器獨立工作，故障便于檢查維修，保證了系統更長的使用壽命。

病房尋呼系統的結構圖如圖1所示。

系統硬件框架

呼叫器

電力線載波信號傳輸，其基本要求是在電力線傳輸信號的過程中確保信號傳輸的準確性和安全性。

信號在電力線上傳輸時，將交流電壓產生脈沖所帶來的干擾排除即可獲得穩定的信號傳輸，可以通過交流電壓波形過零點短時間內傳輸信號的方式進行信號的傳輸來排除干擾，但是這對信號的耦合方式要求較高。本文利用SH99F01芯片內部集成高速增強型兼容8051單片機和高性能電力線載波通信模塊(Powerline Transceiver)來進行信息間的傳輸，本電力線通信模塊具有模擬電路載波頻率9kHz~525kHz可調，100μVp-p的高靈敏度，結合波形零點傳輸技術，采用先進的向前糾錯編碼算法，最大程度提高載波物理層的通信能力，確保了信息傳遞的安全性。采用芯片內部兼容8051單片機作為控制核心，大量使用貼片式外圍器件，使得呼叫器具有功耗低，體積小(煙盒大小)，只要有插座即可隨便移動，改號方便，對于病房加減床、換房間等，呼叫器都可根據需要進行增減或移動，解決了因更換病床位置所帶來的重新布線困擾。電力載波模塊電路圖如圖2所示。

主機系統

病房呼叫系統中主機以宏晶科技生產的STC12C5A60S2AD芯片作為控制核心，結合電力載波模塊來進行各個系統間的通信，對呼叫信息的采集和控制報警器等工作。STC12C5A60S2AD一款高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，執行速度卻是傳統的8051的8~12倍，同時具有62K的用戶應用程序空間和片上集成1280字節的RAM。貼片型STC12C5A60S2AD不僅體積小，功耗低，同時價格低廉，運行速度快，完全滿足病房呼叫系統所需處理信息能力的需求。

內存卡采用的是金士頓型號為Micro SD/

TF(8G)，8.8MB/s的數據讀寫速度，6.5MB/s的數據寫入速度，8G大小的存儲容量，完全能滿足系統對呼叫報警信息的存儲需求。

GSM模塊是可用單片機控制的以TC35I為核心的GSM系統終端，支持數據、語言、短信傳輸等功能。在有報警呼叫而護士站無人時，可以通過呼叫設定好的手機號碼來進行報警，能有效地避免突發事件因護士的疏忽而出現長時間無人處理的情況。

彩屏界面顯示使用的是WLTI-07Q70液晶顯示屏，7.0寸800x480點陣彩色LED，4頁顯存，在大方、美觀的同時使頁面的更換更加流暢。

界面顯示面作為顯示端，主機控制系統可以通過查看顯示面了解病房呼叫的情況，查看當前時間。如圖3所示。

系統軟件設計

軟件系統框架設計

本軟件是由呼叫器系統、主機控制系統、GSM手機呼叫系統構成。其中以主機控制系統為核心。多個呼叫器通過電力線進行數據間交互傳輸，主機系統對采集分機的狀態信息進行分析、處理、顯示等工作。工作原理圖如圖4所示。

主機程序設計

多個呼叫器同時使用一條電力線進行數據的傳輸，當多個呼叫器同時連接主機時，發送數據可能會造成數據間的干擾，從而導致數據的錯誤或丟失。為了確保數據的安全性，我們采用隨機退避機制算法(在呼叫器程序設計中進行介紹)來確保數據傳輸間的安全性。

主機控制系統程序設計采用C語言進行開發，內嵌自定義的傳輸協議，自行編寫人機交互系統，在確保系統運行穩定性的前提下，精簡代碼，設定算法，防止報警信號的丟失和錯誤處理，提高了系統的安全性。

當啟動主機設備以后，系統進行初始化，要求用戶對系統進行一些初始化設置或者選擇默認設置，設置完成后，系統進入正常工作狀態，控制彩屏顯示當前時間和對分機傳送來的數據進行結果分析。當采集到分機報警信息后，驅動語言報警信號進行報警，并在彩屏上顯示分機位置(病房號)，向SD卡中寫入報警信息，當到達設定時間到且無人處理時，主機驅動GPRS模塊呼叫設定好的手機來進行報警。在系統運行過程中隨時可以按下MENU鍵查看報警歷史信息、矯正時間、設定GPRS報警參數等等。程序流程圖如圖5所示。

呼叫器軟件設計

呼叫器功能主要包括實現整體系統初始化設置，處理報警信息任務、運行調度系統運用任務，PLT電力線載波通訊任務，響應外部中斷任務等。

當呼叫器啟動后，對系統進行整體的初始化，循環執行對報警狀態進行監控，當采集到報警信息時，采用隨機退避機制進行數據傳輸，傳輸完成后接收主機返回的數據進行驗證確保報警數據的發送成功。

隨機退避機制算法

當一個呼叫器要發送報警數據時，先監聽電力線信道的忙/閑狀態，如果信道忙，它將推遲直到信道連續處于閑狀態達到DIFS時間。為了避免發送沖突，這時該分機在發送前必須經過一個附加的退避周期，將產生一個隨機的退避時間(Backoff Time)，并存入退避計數器，如果退避計數器中已經包含有一個非0的值，那么就不再執行產生隨機退避時間的過程。

呼叫器執行退避過程時，偵聽信道的狀態，如果信道閑，則將退避時間計數器減1；如果信道忙，則退避過程將被推遲，退避時間計數器被凍結(即不再遞減)，直到偵聽到信道處于連續空閑狀態達到DIFS時間，退避過程重新被激活，繼續遞減。當退避計數器遞減到0時，此呼叫器就可以執行發送。

當多個分機同競爭信道時，每個節點都經過一個隨機時間的退避過程，才能占有信道，這樣就大大減少了發送沖突發生的概率。另外，通過采用退避過程中的凍結機制，使得被推遲的分機在下一輪競爭中無需再次產生一個新的隨機退避時間，只需繼續進行計數器遞減，那么，等待時間長的分機優先級就高于新加入的分機，就可能優先得到信道，從而維護了競爭分機之間一定的公平性。

在主機接收到分機發送來的數據時立即把接收到的數據返回，分機再把接收數據和自己發送的數據進行對比，確保數據的發送成功。從而大大提高了數據發送的安全性。程序流程圖如圖6所示。

結束語

隨著人民生活水平的提高和社會經濟的發展，人們對自身的身體狀況會越來越關注，傳統式的病房呼叫系統已經不能滿足現代醫院的需求，基于電力線載波技術的病房呼叫系統作為醫院呼叫系統未來發展的主要趨勢之一，具有廣闊的發展前景和巨大的市場前景，為了方便大眾，造福社會，新型的病房呼叫系統值得我們進行大量的探索和深入的研究。

參考文獻：

[1] 譚浩強.C語言設計(第2版)[M].北京:清華大學出版社，2000

[2] 周亞聯.電力線載波通信技術問答[M].北京:水利電力出版社，1986

[3] 陳維千.電力線載波通道[M].北京:水利電力出版社，1983

[4] 楊剛.電力線通信技術[M].北京:電子工業出版社，2011

[5] 齊淑清.電力線通信(PLC)技術與應用[M].北京:中國電力出版社，2005