基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系統

姜濤，楊學存

（1.國網新疆電力有限公司電力科學研究院，新疆烏魯木齊，830000；2.西安科技大學電氣與控制工程學院，陜西西安，710054）

0 引言

在信息時代的今天，醫療體系改革也逐漸和信息化接軌，病房呼叫系統作為傳統的患者與護士的通信手段，其功能也越來越豐富，己經成為現代醫院對病人救護的不可或缺的設備。隨著“無線城市”概念的提出，WiFi 無線通信技術得到了迅速發展，采用WiFi無線通信技術實現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線呼叫ZigBee的抗干擾能力差、距離近、網絡結構復雜的缺點[1]-[3]。因此本文將研究基于WiFi的多功能病床呼叫系統。研究內容包括病床呼叫終端的供電、主控電路、通信接口和通信協議、語音、數據存儲等。既可以幫助病人快速的呼叫醫護人員，也可減輕醫護人員巡視病房的辛勞，減輕醫護人員值班的心理壓力，在無呼叫時放心的做好其他醫護工作，從而提高了醫護效率。

1 系統總體方案設計

圖1 系統硬件框圖

本設計將嵌入式技術與無線網絡技術相結合，以嵌入式微處理器和ESP8266無線模塊等外圍器件組成整個醫院病房呼叫系統的平臺，無線網絡利用WiFi無線網絡技術實現[4]-[5]。除了有傳統的無線呼叫功能外，還具有輸液檢測功能。輸液檢測由電容傳感器測得的靜脈輸液吊瓶液位的參數，進行模擬量信號的處理，再傳送給ESP8266無線模塊。然后ESP8266無線模塊負責將采集到的數據信息傳送至護士站，進行無線通信。最后經過嵌入式微處理器處理的信號通過RS232總線實現數據的傳輸，將數據傳輸給上位機，最后在上位機的液晶顯示屏上顯示各個病房當前的呼叫狀況以供護士人員作出相應應答，從而實現醫院病床的呼叫系統。系統將實現以下功能：對呼叫的提示以及顯示功能；床號、呼叫內容和呼叫時間顯示功能；呼叫回復功能；呼叫記錄、顯示、翻查和統計功能；液晶顯示功能，實時網絡監控功能。無線病房呼叫系統功能框圖如圖1所示。

2 系統主要硬件模塊設計

2.1 鍵盤電路硬件設計

本系統硬件采用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，行線時鐘保持為高電平狀態，而一旦有鍵被按下的時候，行線則被拉為低，此時STM32掃描到有鍵被按下，轉入按鍵處理函數，處理按鍵請求。

圖2 按鍵電路

進行鍵盤掃描的過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置為低電平，然后掃描行線，若那一行變為低電平則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，與存儲在系統中的碼值比較，確定那個鍵被按下。為了保證按鍵處理安全可靠，還要在軟件中加入延時，去抖動函數，以防止誤操作發生。

圖3 ULN2003AN步進電機驅動電路圖

2.2 基于病床控制的步進電機模塊設計

本設計的主要控制對象是28BYJ-48型減速步進電機，所以選擇常用的可以驅動7路負載的ULN2003AN為驅動芯片。ULN2003AN屬于高耐壓、大電流達林頓系列，它由七個硅NPN達林頓管組成，吸收電流可達500mA，輸出耐壓50V，具有很強的驅動能力。其內部具有7組達林頓管電路，可以驅動7路負載。IN0～IN7為七路輸入信號控制端可與單片機引腳直接相連控制，當輸入端口信號為高電平時，輸出端口OUT-1～OUT7輸出信號為低電平。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計

智能型非接觸式液位感應器是利用水的感應電容來檢測是否有液體存在[6][7]，在沒有液體接近感應器時，感應器上由于分布電容的存在，因此感應器對地存在一定的靜態電容，當液面慢慢升高接近感應器時，液體的寄生電容將耦合到這個靜態電容上，使感應器的最終電容值變大，該變化的電容信號再輸入到控制IC進行信號轉換，將變化的電容量轉換成某種電信號的變化量，再由一定的算法來檢測和判斷這個變化量的程度，當這個變化量超過一定的閾值時就認為液位到達感應點。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，故經過一個分壓電阻將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。當液面低于測量高度時，傳感器指示燈滅并輸出信號。

2.4 基于ESP8266的WiFi模塊硬件設計

ESP8266芯片是一個自成體系、完整的WiFi網絡解決方案[8][9]。本次設計所使用的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據。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，簡單易操作。本次設計使用的普中STM32開發板預留有ESP8266-WiFi模塊接口，可以將此模塊直接接入開發板接口，無需額外連線。

ESP8266-WiFi模塊支持ST/AP/ST+AP三種工作模式。利用 ESP8266 可以實現十分靈活的網絡拓撲和組網方式。本次設計選用的是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啟動進入AT系統，只需CH-PD引腳接上拉或接VCC（不接上拉的情況下，串口可能無數據），其余三個引腳可選擇懸空。在CH-PD和VCC之間焊接電阻 后，將 VCC、UTXD、URXD、GND連上USB-TTL即可進行測試。

3 系統軟件設計

嵌入式病床呼叫系統的主流程圖如圖6所示[10]。系統上電初始化后進入，配置WiFi的工作模式，等待連接護士站的服務器，如果不能連接將在此重置WiFi模塊，直到連接服務器。連接服務器后開始進行紅外遙控的檢測和按鍵的檢測，判斷是否開啟自動液位檢測，如果開啟自動檢測，將自動檢測模式選擇功能，手動控制模塊包括語音輸入、按鍵輸入兩種輸入方式，在手動模式下當檢測到有語音輸入或者掃描到有按鍵按下時，病房走廊進行顯示和報警，并通過WiFi模塊經路由器送至護士站監控室，顯示呼叫病房的信息，護士即可進行相應的處理。在自動模式下，通過檢測電容式液位傳感器電容的大小，判斷液位的變化，將液位的變化信號轉換成可供處理器識別的數字信號。然后進行報警和顯示，并將呼叫信息通過路由器傳送至護士站監控室。

圖6 系統軟件流程圖

4 系統調試結果

圖7 系統實物圖

系統軟件和硬件設計完成之后，就能構成了一個完整的系統。硬件系統由STM32處理器、紅外遙控模塊、DS18B20溫度測量模塊、煙霧檢測與報警模塊、液位自動檢測模塊、病房呼叫語音播報模塊、按鍵模塊、TFT顯示模塊和電機驅動模塊等構成。系統聯調實物圖如圖7所示，上位機的監控畫面如圖8所示。

圖8 護士站有呼叫信號時的監控畫面

5 結論

本論文主要論述了醫院住院病房呼叫系統的研究與開發工作，從系統目前的運行效果和測試結果來看，系統的各個功能模塊都達到了預期的要求，實現了病房呼叫系統的各項指標和要求。完成了系統下位機硬件及軟件的設計與測試，使用STM32位控制器，實現靜脈輸液液位的自動檢測，無煙病房的煙霧自動報警，床鋪的升降控制，呼叫請求的顯示，以及呼叫請求的聲光報警等要求。完成了系統上位機軟件的設計與測試，并使用Visual Basic制作了的數據庫和數據表，對來自病房的呼叫信號實現了顯示報警和存儲功能，方便以后查詢使用。