基于PLC的病房呼叫系統(tǒng)

石 鑫

(江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134)

基于PLC的病房呼叫系統(tǒng)

石 鑫*

(江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212134)

針對(duì)傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、擴(kuò)展能力差等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款新型病房呼叫系統(tǒng),該系統(tǒng)采用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。詳細(xì)描述了電力線載波數(shù)據(jù)通信原理,依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際功能需要對(duì)系統(tǒng)硬件電路和軟件程序進(jìn)行了設(shè)計(jì),并設(shè)計(jì)了相關(guān)硬件電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明:所開(kāi)發(fā)的基于PLC(Power Line Carrier)的病房呼叫系統(tǒng)具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作便利、組網(wǎng)容易等優(yōu)點(diǎn),能夠滿足醫(yī)療系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)要求。

通信;電力載波;擴(kuò)頻技術(shù);病房呼叫;BWP08A

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,越來(lái)越多的人對(duì)醫(yī)療服務(wù)提出了更高的需求。目前,人們對(duì)一家醫(yī)院綜合評(píng)價(jià)不僅僅局限于醫(yī)院的硬件設(shè)備,醫(yī)院整體醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量也是重要的參考標(biāo)準(zhǔn)。目前,醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)大多采用有線方式進(jìn)行布線,其具有分機(jī)容量低、擴(kuò)展能力差、施工難度大、系統(tǒng)成本高等缺點(diǎn)。

針對(duì)傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)存在的不足,本文設(shè)計(jì)了一款基于PLC的病房呼叫系統(tǒng)。當(dāng)病人通過(guò)按鍵請(qǐng)求醫(yī)護(hù)人員幫助時(shí),病房呼叫系統(tǒng)將相關(guān)請(qǐng)求信息通過(guò)電力載波傳輸給上位機(jī)系統(tǒng),醫(yī)護(hù)人員根據(jù)當(dāng)前請(qǐng)求信息給予病人相應(yīng)的幫助[1-2]。

1 系統(tǒng)總體方案及工作原理

本文根據(jù)病房呼叫系統(tǒng)實(shí)際功能需求對(duì)病房呼叫系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件電路主要由電源模塊、電力載波發(fā)送模塊、電力載波接收模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、呼叫按鍵模塊、串口模塊和看門(mén)狗模塊等組成,其整體硬件電路如圖1所示。

文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大、擴(kuò)展能力差等問(wèn)題。當(dāng)病人需要醫(yī)護(hù)人員幫助時(shí),病人通過(guò)病房呼叫系統(tǒng)將呼叫請(qǐng)求信息傳輸給相應(yīng)的主治醫(yī)生或護(hù)士,主治醫(yī)生或值班護(hù)士接收到請(qǐng)求信息后,通過(guò)病房呼叫系統(tǒng)給予相應(yīng)的應(yīng)答,從而穩(wěn)定病人情緒,提高醫(yī)療整體服務(wù)水平[3]。

圖1 病房呼叫系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

病房呼叫硬件電路主要由以下功能模塊組成,分別為電力載波發(fā)送模塊、電力載波接收模塊、電源模塊、串口模塊、人機(jī)交互模塊等。

2.1 電源模塊

對(duì)于任何一套系統(tǒng),電源模塊整體穩(wěn)定性決定了系統(tǒng)整體可靠性和穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)體積限制和實(shí)際功能需求,本文設(shè)計(jì)了一款高性能開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。該電源選用美國(guó)POWER公司開(kāi)發(fā)的TOP224Y芯片作為電源主控芯片,其電路如圖2所示[4]。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作原理如下:220 V交流電源經(jīng)過(guò)整流橋和濾波電容輸出波動(dòng)的直流電源,該電源直接輸出給TOP224Y芯片的漏極引腳,TOP224Y芯片導(dǎo)通,電源電壓通過(guò)變壓器Q20初級(jí)線圈與源極形成回路,Q20次級(jí)線圈輸出電源電壓,同時(shí)系統(tǒng)利用整流二極管和濾波電容對(duì)輸出的電源電壓進(jìn)行整流濾波處理。為了保證開(kāi)關(guān)電源輸出穩(wěn)定的電源電壓,本系統(tǒng)采用變壓器次級(jí)線圈對(duì)輸出的電源電壓進(jìn)行采樣,當(dāng)采集電壓大于12 V時(shí),光耦發(fā)光體導(dǎo)通,TOP224Y芯片關(guān)閉漏極引腳,從而降低開(kāi)關(guān)電源輸出的電壓大小。由于變壓器初級(jí)線圈具有儲(chǔ)能作用,其在TOP224Y高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中容易產(chǎn)生較高的尖峰脈沖,為了保證系統(tǒng)能夠正常工作,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由電阻R28、電容C32和二極管D36組成的吸收回路對(duì)尖峰脈沖進(jìn)行吸收處理,從而有效避免開(kāi)關(guān)電源因尖峰脈沖造成TOP224Y芯片的損壞。

圖2 開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)電路

2.2 電力載波發(fā)送模塊

在病房呼叫系統(tǒng)中,病人的請(qǐng)求信息和值班護(hù)士之間的數(shù)據(jù)通信采用電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)病人通過(guò)呼叫請(qǐng)求按鍵進(jìn)行請(qǐng)求時(shí),單片機(jī)將當(dāng)前病人請(qǐng)求的床位信息和需求信息通過(guò)電力線載波發(fā)送模塊發(fā)送給相應(yīng)的主治醫(yī)生或值班護(hù)士。由于電力線主要用于傳輸電能,且醫(yī)院存在大量醫(yī)療設(shè)備,醫(yī)院電網(wǎng)具有大量的諧波噪聲。為了保證文中設(shè)計(jì)的病房呼叫系統(tǒng)能夠正常工作,系統(tǒng)采用推拉驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電力載波發(fā)送模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),其電路如圖3所示。相比傳統(tǒng)的單管驅(qū)動(dòng)而言,本文設(shè)計(jì)的電力載波發(fā)送模塊具有數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。同時(shí)系統(tǒng)采用12 V電源對(duì)電力載波發(fā)送模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng),提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男旁氡萚5]。

圖3 電力載波發(fā)送模塊

電力載波發(fā)送模塊工作原理如下:當(dāng)病房呼叫系統(tǒng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),Atmega64單片機(jī)將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息通過(guò)串口發(fā)送給BWP08A模塊,BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息按位通過(guò)VO引腳輸出。為了提高電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x,系統(tǒng)對(duì)VO輸出的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行推拉放大處理,經(jīng)過(guò)放大的數(shù)據(jù)信息通過(guò)電容C14耦合到變壓器T1的初級(jí)線圈,并由變壓器次級(jí)線圈通過(guò)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。由于醫(yī)院電力線中存在較高的諧波噪聲,為了保證系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性,系統(tǒng)選用D10和D11組成的鉗位電路進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì),從而避免外部噪聲造成電力載波發(fā)送模塊的損壞,提高了系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。

2.3 電力載波接收模塊

當(dāng)主治醫(yī)生或值班護(hù)士接收到病人請(qǐng)求信息后,主治醫(yī)生或值班護(hù)士需及時(shí)通過(guò)電力載波進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答,從而穩(wěn)定病人情緒。由于醫(yī)院電能質(zhì)量較差,且電力線上存在較高的傳輸電阻,嚴(yán)重影響了電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量,針對(duì)我國(guó)電網(wǎng)特點(diǎn),本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖4所示的電力載波接收電路[6]。

該電路原理如下:當(dāng)主治醫(yī)生或值班護(hù)士通過(guò)電力線載波進(jìn)行應(yīng)答時(shí),終端設(shè)備通過(guò)電容C17將電力線中的載波數(shù)據(jù)信息耦合到變壓器T1初級(jí)線圈中,再由電感L4和電容C19、C20組成的諧波振蕩電路進(jìn)行數(shù)據(jù)信息提取,并將提取的數(shù)據(jù)信息通過(guò)電容C18耦合到BWP08A中,由BWP08A對(duì)接收的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行解析。由于電網(wǎng)中噪聲較高,為了提高本系統(tǒng)整體穩(wěn)定性,系統(tǒng)對(duì)電力載波接收模塊端口采用TVS管進(jìn)行鉗位保護(hù)。

圖4 電力載波接收模塊

圖4中的電容C19、C20和電感L4并聯(lián),諧振工作頻率f=120 kHz,根據(jù)式(1)可知電容和電感大小。頻率計(jì)算公式:

(1)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)病房呼叫系統(tǒng)軟件功能需求,本系統(tǒng)自行構(gòu)建了一套多功能狀態(tài)機(jī)系統(tǒng),系統(tǒng)軟件程序采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì),利用定時(shí)器對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行調(diào)度處理。同時(shí),系統(tǒng)軟件具有較強(qiáng)的移植性和可擴(kuò)展性[7-8],降低了系統(tǒng)后續(xù)維護(hù)成本。系統(tǒng)軟件主流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 電力載波發(fā)送模塊

當(dāng)病人觸發(fā)呼叫按鍵時(shí),Atmega64單片機(jī)將當(dāng)前床位信息和需求信息存儲(chǔ)到串口發(fā)送緩沖區(qū)中,啟動(dòng)串口中斷使能位,由Atmega64單片機(jī)通過(guò)串口中斷將數(shù)據(jù)信息傳輸給BWP08A電力載波芯片。BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息通過(guò)電力線傳輸給主治醫(yī)生或值班護(hù)士。為了保證電力載波傳輸數(shù)據(jù)的同步性,BWP08A芯片在傳輸信息前,首先發(fā)送40bit全為“1”的數(shù)據(jù)信息,接著B(niǎo)WP08A發(fā)送同步幀頭0x09和0xAF,從而有效保證電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w同步性。BWP08A將接收的數(shù)據(jù)信息按位由VO引腳輸出,每發(fā)送一位數(shù)據(jù)信息后,位計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)位計(jì)數(shù)器減為0時(shí),該位數(shù)據(jù)信息發(fā)送完成,同時(shí)BWP08A內(nèi)部計(jì)數(shù)器減1,當(dāng)BWP08A接收的數(shù)據(jù)信息傳輸完成后,BWP08A將當(dāng)前發(fā)送狀態(tài)設(shè)置為接收狀態(tài),從而保證BWP08A接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,其程序流程圖如圖6所示。

3.3 電力載波接收模塊

當(dāng)主治醫(yī)生或值班護(hù)士接收到病人請(qǐng)求信息時(shí),主治醫(yī)生或值班護(hù)士通過(guò)病房呼叫系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào),從而穩(wěn)定病人情緒。因此,病房呼叫終端設(shè)備需要具有數(shù)據(jù)接收處理模塊。當(dāng)病房呼叫系統(tǒng)接收到應(yīng)答信息時(shí),BWP08A首先利用電力載波接收模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理,BWP08A每接收8bit數(shù)據(jù)信息,BWP08A芯片通過(guò)串口傳輸給Atmega64單片機(jī),當(dāng)BWP08A接收數(shù)據(jù)完成后,Atmega64會(huì)將數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位進(jìn)行置位處理,并由主程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行解析,并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作[9]。電力載波接收軟件程序流程圖如圖7所示。

圖6 電力載波發(fā)送模塊流程圖

圖7 電力載波接收模塊流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比分析

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的病房呼叫系統(tǒng),本課題依據(jù)上述論述搭建了基于電力載波的病房呼叫系統(tǒng),系統(tǒng)電路如圖8所示。

圖8 電力載波病房呼叫系統(tǒng)實(shí)物圖

由于醫(yī)院非線性電子設(shè)備較多,其會(huì)產(chǎn)生較高的諧波噪聲,為了驗(yàn)證病房呼叫系統(tǒng)整體穩(wěn)定性,系統(tǒng)對(duì)發(fā)送模塊進(jìn)行了測(cè)試。載波數(shù)據(jù)耦合前波形和耦合后波形如圖9和圖10所示。從圖中可知,文中涉及的載波發(fā)送模塊各項(xiàng)性能滿足系統(tǒng)功能需求。

圖9 電力載波發(fā)送耦合前

圖10 電力載波發(fā)送耦合后

圖11 電力載波接收波形

為了保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收應(yīng)答數(shù)據(jù)信息,需對(duì)電力載波接收模塊進(jìn)行了測(cè)試,以保證病房呼叫系統(tǒng)在較高的諧波噪聲環(huán)境下能夠準(zhǔn)確接收應(yīng)答數(shù)據(jù)信息。其接收端口波形圖如圖11和圖12所示。

圖12 電力載波接收處理波形

從圖中可知,文中設(shè)計(jì)的電力載波接收模塊在較高的諧波噪聲環(huán)境中能夠正常進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,滿足了病房呼叫系統(tǒng)各項(xiàng)性能要求。

為了驗(yàn)證病房呼叫系統(tǒng)整體性能,本課題將設(shè)計(jì)的病房呼叫系統(tǒng)投入到大型醫(yī)院,并分別在無(wú)負(fù)載和有負(fù)載的情況下對(duì)病房呼叫系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本課題設(shè)計(jì)的病房呼叫系統(tǒng)在沒(méi)有負(fù)載的情況下能夠有效傳輸1 400 m左右;當(dāng)醫(yī)院?jiǎn)?dòng)所有大型用電設(shè)備時(shí),病房呼叫系統(tǒng)有效傳輸距離可以達(dá)到1 100 m左右。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知,文中設(shè)計(jì)的病房呼叫系統(tǒng)滿足醫(yī)院的各項(xiàng)功能需求。

表1 無(wú)負(fù)載測(cè)量結(jié)果分析

表2 電力線外界大功率負(fù)載測(cè)量結(jié)果分析

5 結(jié)論

本文根據(jù)醫(yī)院各項(xiàng)功能需求設(shè)計(jì)了病房呼叫系統(tǒng)整體架構(gòu),并依據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)了病房呼叫系統(tǒng)硬件電路和軟件程序。由于系統(tǒng)采用電力載波進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,系統(tǒng)只需要將病房呼叫系統(tǒng)掛接到醫(yī)院電力線上即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。該系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)病房呼叫系統(tǒng)分機(jī)容量低、擴(kuò)展能力差、施工難度大、成本高等問(wèn)題。該系統(tǒng)并非完美,但系統(tǒng)安裝簡(jiǎn)單、操作便捷、易于擴(kuò)展,具有更高的使用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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WardCallingSystemBasedonPLC

SHIXin*

(Jiangsu Aviation Technical College,Zhenjiang Jiangsu 212134,China)

Aiming at the problems of complex system structure,great construction difficulty and poor scalability of traditional ward calling System,a new kind of Ward Calling System is designed. The system transfers the data by Power line. The principle of Power Line Carrier(PLC)Data Communication is described in detail,and the whole hardware circuit and software program are designed according to the actual function requirements of the system,then a relevant hardware circuit is designed to conduct the experiment. The experiment results show that the Ward Calling System based on PLC designed has the advantages of simple circuit design,convenient operation and easy networking,and it can satisfy various technical requirements of medical system.

communication;PLC;spread spectrum technology;ward calling;BWP08A

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.050

2016-10-25修改日期2016-12-25

TP913.6

A

1005-9490(2017)06-1593-06

石鑫(1980-),男,回族,副教授,工程碩士,江蘇省鎮(zhèn)江市人,江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院,研究方向?yàn)榭刂乒こ?shi9833010@sohu.com。