| 标题 | 基于NRF24L01的简易病房呼救系统设计与实现 |
| 范文 | 江琳 摘要：病房呼叫系统是一种用来联系沟通医护人员和病员的医用必备设备。本设计方案是基于nRF24L01的无线多路简易病房呼叫系统，由AT89S52单片机、LCD1602显示电路、按键模块、电源模块和nRF24L01无线收发模块组成，以无线传输方式实现主机与各从机间的通讯，主机和从机分别对应医院值班室和病房。该文从硬件和软件方面阐述了该控制系统的设计方法。结果表明，该简易病房呼叫系统布线成本低、操作和安装简单、易于维护。而且具有较强的抗干扰性能， 适用于乡镇等小型医院及小型养老院。 关键词：NRF24L01无线收发模块； AT89S52单片机；病房呼救系统；声光报警 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）35-0120-02 1 概述 当前医用呼叫控制系统已快速向智能化趋势发展，系统功能也不断增加。但目前广泛应用于医院病房、养老院等医疗机构的病房呼叫设备系统虽然功能多，性能较稳定，但普遍成本高，安装操作复杂，不适宜在乡镇医院及小型养老院使用。本文针对乡镇医院和小型养老院设计开发一款基于nRF24L01无线收发模块的简易病房呼救系统，通过调试简单应用，该系统具有成本低，易于操作、安装和维护，而且具有较好的可靠性和稳定性，不会对其他医疗设备产生干扰。 2 系统框架 按照系统设计功能的要求，本文研究的病房呼叫系统主要是有主机部分和从机部分组成，共包括6个模块：单片机最小系统、按键模块、nRF24L01无线收发模块、LCD1602液晶显示模块、声光报警模块和电源模块。整个系统采用nRF24L01收发模块，作为无线距离的数据传输模块。主机部分主要负责数据的接收、数据处理、显示以及报警。从机部分主要是病床病号的数据采集和传输。发射与接收电路传输距离可达100m。接收到从机发过来的信号时，主机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警，提醒有病人呼叫，护理员按下主机的响应键，取消对应的呼叫。NRF24L01具有自动重發功能、数据包识别及CRC校验功能，增强型ShockBurstTM模式可同时控制应答及重发功能而无需增加MCU的工作量。系统框架如图1所示。 3 硬件模块设计 系统从机部分负责实时采集病床病人的输入信号，采用STC89C52单片机作为主控芯片，经过单片机处理后从NRF24L01无线模块传输病号的信号编码发送出去。从机电路原理图如图2所示。 NRF24L01无线模块接收到采集端发送过来的病床序号数据后，将病床序号信息传给单片机处理后，在LCD液晶上进行显示，当接收到从机发过来的信号时，主机控制蜂鸣器和发光二极管发出声光报警，提醒有病人呼叫，护理员按下主机的呼应键，取消对应的呼叫。病房呼叫系统主机电路如图3所示。 3.1 单片机系统 单片机采用STC89C52 单片机系统，由STC89C52单片机、复位电路、时钟电路构成。复位电路作用是确定单片机的工作起始状态，完成单片机的启动过程，系统采用加电自复位的复位电路。时钟电路好比单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏，时钟电路就是振荡电路，是向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行速度，本设计采用内部方式的时钟电路。单片机原理如图4所示。 3.2 液晶显示模块 显示模块采用LCD1602液晶显示器，能够清晰的在液晶上显示字符和数字，看到能让人感觉到舒服感。液晶的命令操作脚是RS、RW、EN，数据脚接单片机的P0口。 3.3 电源模块 病床无线呼叫系统的发射和接收都采用3节1.5 V干电池共4.5V做电源，经过实验验证系统工作时，单片机、传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求，而且电池更换方便。本设计采用了ASM1117-3.3V的直流稳压芯片稳压成3.3V，电容C4.C5.C6，C7滤波提供nRF24L01无线模块的稳定的3.3V电源。电源接口电路如图8，其中DC5V为电池接口，SW1为电源开关，R6为二极管的限流电阻，LED5为电源指示灯。 4.4 声光报警模块 病床无线呼叫系统主机中声光报警电路采用NPN型S8550三极管驱动，当单片机的P1^3口输出低电平时，三极管的VE>VB>VC>0。三极管的发射结正偏，集电结反偏，三几个饱和导通，此时发光二极管和蜂鸣器发出声光报警，当单片机的P1^3口输出高电平时，三极管截止，声光报警停止工作。具体电路图如图5所示： 3.5 无线传输模块 病床无线呼叫系统采用NRF24L01无线收发模块，该无线传输通过两个发送端分别负责电能发射与接收。发送数据时，第一步，将NRF24L01模块设置为发射模式；第二步，通过SPI口按照时序变化将接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD写入NRF24L01的缓存区；第三步，将CE置为10μs以上的高电平，等待延迟130μs后发射数据，如自动应答开启，NRF24L01进入接收模式，接收应答信号，收到应答，表明此次通信成功，将TX_DS置高，同时清除TX_PLD，如未收到应答，则自动重新发射。接收数据时，第一步，将NRF24L01配置为接收模式，等待数据时同样需要延迟130μs进入接收状态；第二步，如接收方能够检测到CRC和有效地址时，开始将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。第三步，接收成功时，若CE变低，则NRF24L01进入空闲模式。 注意NRF24L0l的所有的配置字都由配置寄存器定义，NRF24L01 的配置寄存器达25个，这些配置寄存器可通过SPI口访问。 3.6 硬件电路制作 病床无线呼叫系统硬件电路制作主要分为以下几个步骤： 1） 绘制基本电路原理图； 2） 焊接硬件电路； 3） 将接收端STC89C52单片机烧入液晶显示程序，检验液晶显示有没有问题； 4） 将其中一片STC89C52与液晶及按键模块相连，写入电表计数的程序。测试按键和液晶显示； 5） 连接NRF24L01的收发部分与两片STC89C52相连，写入发射程序并进行检测； 6） 整合显示、收发、超声波显示按键程序，检测系统发送端能否正常发送，检测报警参数的设置。 4 软件程序设计 本系统软件设计分为主机和从机两个部分，单片机采用查询方式工作，不停地对按键状态进行检测，当从机单片机扫描到有按键按下时，通过nRF24L01无线传输芯片发送按键对应地址码，不同病房号通过编码不同予以区分。从机收到地址码后显示相应 病床号并报警，按下响应键，再由nRF24L01芯片传送给从机来取消响應。 4.1 主机程序流程图设计 主机程序流程图设计如下所示： 主机接收到呼叫信号à存储接收到的信号数据à调用软 件部分的显示子程序循环显示à给呼叫器发送出回应信号à再次置NRF24L01芯片于接收状态等待信息。 4.2 从机程序流程图设计 单片机扫描按键à如扫描到有按键按下，确定地址码à设置NRF24L01为发射状态à开始地址码传送à将nRF24L01芯片设置回接收状态等待确认信息à进入等待，如此循环工作。 5 总结 基于nRF24L01的简易病房呼救系统通过病区的数据采集实现了医护人员和病员之间的通信联系。通过控制系统的硬件联调、软件联调、系统仿真、仿真烧录和现场安装调试等几个环节的调试运行，系统实现了显示病床号，报警提醒值班人员，多病床呼叫和信息保留等功能。系统测试表明，该系统具有较高可行性，能够为医院提供一个成本低、效率高、操作方便和易于安装维护的快捷系统。可为小型医疗卫生机构提供简便可行的医护设备。 参考文献： [1] 康华光.电子技术基础：数字部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006：130-133. [2] 尹娟.基于ZigBee协议的医院病房呼叫系统[J].医院数字化，2010（11）. [3] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：1-2. [4] 姚俊，耿建.基于PROTEUS病房呼叫器的设计[J].计算机光盘软件与应用，2011（11）. [5] 钱浩.基于ZigBee的无线病房呼叫系统研究与设计[D]. 昆明：昆明理工大学，2014. [6] 邹韵.一种基于ZigBee技术的病房无线呼叫系统的研究与设计[J].郑州轻工业学院学报：自然科学版，2011（12）. |
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