基于NRF24L01的簡易病房呼救系統設計與實現

江琳

摘要：病房呼叫系統是一種用來聯系溝通醫護人員和病員的醫用必備設備。本設計方案是基于nRF24L01的無線多路簡易病房呼叫系統，由AT89S52單片機、LCD1602顯示電路、按鍵模塊、電源模塊和nRF24L01無線收發模塊組成，以無線傳輸方式實現主機與各從機間的通訊，主機和從機分別對應醫院值班室和病房。該文從硬件和軟件方面闡述了該控制系統的設計方法。結果表明，該簡易病房呼叫系統布線成本低、操作和安裝簡單、易于維護。而且具有較強的抗干擾性能， 適用于鄉鎮等小型醫院及小型養老院。

關鍵詞：NRF24L01無線收發模塊； AT89S52單片機；病房呼救系統；聲光報警

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）35-0120-02

1 概述

當前醫用呼叫控制系統已快速向智能化趨勢發展，系統功能也不斷增加。但目前廣泛應用于醫院病房、養老院等醫療機構的病房呼叫設備系統雖然功能多，性能較穩定，但普遍成本高，安裝操作復雜，不適宜在鄉鎮醫院及小型養老院使用。本文針對鄉鎮醫院和小型養老院設計開發一款基于nRF24L01無線收發模塊的簡易病房呼救系統，通過調試簡單應用，該系統具有成本低，易于操作、安裝和維護，而且具有較好的可靠性和穩定性，不會對其他醫療設備產生干擾。

2 系統框架

按照系統設計功能的要求，本文研究的病房呼叫系統主要是有主機部分和從機部分組成，共包括6個模塊：單片機最小系統、按鍵模塊、nRF24L01無線收發模塊、LCD1602液晶顯示模塊、聲光報警模塊和電源模塊。整個系統采用nRF24L01收發模塊，作為無線距離的數據傳輸模塊。主機部分主要負責數據的接收、數據處理、顯示以及報警。從機部分主要是病床病號的數據采集和傳輸。發射與接收電路傳輸距離可達100m。接收到從機發過來的信號時，主機控制蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警，提醒有病人呼叫，護理員按下主機的響應鍵，取消對應的呼叫。NRF24L01具有自動重發功能、數據包識別及CRC校驗功能，增強型ShockBurstTM模式可同時控制應答及重發功能而無需增加MCU的工作量。系統框架如圖1所示。

3 硬件模塊設計

系統從機部分負責實時采集病床病人的輸入信號，采用STC89C52單片機作為主控芯片，經過單片機處理后從NRF24L01無線模塊傳輸病號的信號編碼發送出去。從機電路原理圖如圖2所示。

NRF24L01無線模塊接收到采集端發送過來的病床序號數據后，將病床序號信息傳給單片機處理后，在LCD液晶上進行顯示，當接收到從機發過來的信號時，主機控制蜂鳴器和發光二極管發出聲光報警，提醒有病人呼叫，護理員按下主機的呼應鍵，取消對應的呼叫。病房呼叫系統主機電路如圖3所示。

3.1 單片機系統

單片機采用STC89C52 單片機系統，由STC89C52單片機、復位電路、時鐘電路構成。復位電路作用是確定單片機的工作起始狀態，完成單片機的啟動過程，系統采用加電自復位的復位電路。時鐘電路好比單片機的心臟，它控制著單片機的工作節奏，時鐘電路就是振蕩電路，是向單片機提供一個正弦波信號作為基準，決定單片機的執行速度，本設計采用內部方式的時鐘電路。單片機原理如圖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字，看到能讓人感覺到舒服感。液晶的命令操作腳是RS、RW、EN，數據腳接單片機的P0口。

3.3 電源模塊

病床無線呼叫系統的發射和接收都采用3節1.5 V干電池共4.5V做電源，經過實驗驗證系統工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩定能夠滿足系統的要求，而且電池更換方便。本設計采用了ASM1117-3.3V的直流穩壓芯片穩壓成3.3V，電容C4.C5.C6，C7濾波提供nRF24L01無線模塊的穩定的3.3V電源。電源接口電路如圖8，其中DC5V為電池接口，SW1為電源開關，R6為二極管的限流電阻，LED5為電源指示燈。

4.4 聲光報警模塊

病床無線呼叫系統主機中聲光報警電路采用NPN型S8550三極管驅動，當單片機的P1^3口輸出低電平時，三極管的VE>VB>VC>0。三極管的發射結正偏，集電結反偏，三幾個飽和導通，此時發光二極管和蜂鳴器發出聲光報警，當單片機的P1^3口輸出高電平時，三極管截止，聲光報警停止工作。具體電路圖如圖5所示：

3.5 無線傳輸模塊

病床無線呼叫系統采用NRF24L01無線收發模塊，該無線傳輸通過兩個發送端分別負責電能發射與接收。發送數據時，第一步，將NRF24L01模塊設置為發射模式；第二步，通過SPI口按照時序變化將接收節點地址TX_ADDR和有效數據TX_PLD寫入NRF24L01的緩存區；第三步，將CE置為10μs以上的高電平，等待延遲130μs后發射數據，如自動應答開啟，NRF24L01進入接收模式，接收應答信號，收到應答，表明此次通信成功，將TX_DS置高，同時清除TX_PLD，如未收到應答，則自動重新發射。接收數據時，第一步，將NRF24L01配置為接收模式，等待數據時同樣需要延遲130μs進入接收狀態；第二步，如接收方能夠檢測到CRC和有效地址時，開始將數據包存儲在RX FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產生中斷，通知MCU去取數據。若此時自動應答開啟，接收方則同時進入發射狀態回傳應答信號。第三步，接收成功時，若CE變低，則NRF24L01進入空閑模式。

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25個，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。

3.6 硬件電路制作

病床無線呼叫系統硬件電路制作主要分為以下幾個步驟：

1） 繪制基本電路原理圖；

2） 焊接硬件電路；

3） 將接收端STC89C52單片機燒入液晶顯示程序，檢驗液晶顯示有沒有問題；

4） 將其中一片STC89C52與液晶及按鍵模塊相連，寫入電表計數的程序。測試按鍵和液晶顯示；

5） 連接NRF24L01的收發部分與兩片STC89C52相連，寫入發射程序并進行檢測；

6） 整合顯示、收發、超聲波顯示按鍵程序，檢測系統發送端能否正常發送，檢測報警參數的設置。

4 軟件程序設計

本系統軟件設計分為主機和從機兩個部分，單片機采用查詢方式工作，不停地對按鍵狀態進行檢測，當從機單片機掃描到有按鍵按下時，通過nRF24L01無線傳輸芯片發送按鍵對應地址碼，不同病房號通過編碼不同予以區分。從機收到地址碼后顯示相應

病床號并報警，按下響應鍵，再由nRF24L01芯片傳送給從機來取消響應。

4.1 主機程序流程圖設計

主機程序流程圖設計如下所示：

主機接收到呼叫信號à存儲接收到的信號數據à調用軟

件部分的顯示子程序循環顯示à給呼叫器發送出回應信號à再次置NRF24L01芯片于接收狀態等待信息。

4.2 從機程序流程圖設計

單片機掃描按鍵à如掃描到有按鍵按下，確定地址碼à設置NRF24L01為發射狀態à開始地址碼傳送à將nRF24L01芯片設置回接收狀態等待確認信息à進入等待，如此循環工作。

5 總結

基于nRF24L01的簡易病房呼救系統通過病區的數據采集實現了醫護人員和病員之間的通信聯系。通過控制系統的硬件聯調、軟件聯調、系統仿真、仿真燒錄和現場安裝調試等幾個環節的調試運行，系統實現了顯示病床號，報警提醒值班人員，多病床呼叫和信息保留等功能。系統測試表明，該系統具有較高可行性，能夠為醫院提供一個成本低、效率高、操作方便和易于安裝維護的快捷系統。可為小型醫療衛生機構提供簡便可行的醫護設備。

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