基于NRF24L01的簡易病房呼救系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

江琳

摘要：病房呼叫系統(tǒng)是一種用來聯(lián)系溝通醫(yī)護人員和病員的醫(yī)用必備設(shè)備。本設(shè)計方案是基于nRF24L01的無線多路簡易病房呼叫系統(tǒng)，由AT89S52單片機、LCD1602顯示電路、按鍵模塊、電源模塊和nRF24L01無線收發(fā)模塊組成，以無線傳輸方式實現(xiàn)主機與各從機間的通訊，主機和從機分別對應(yīng)醫(yī)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(tǒng)的設(shè)計方法。結(jié)果表明，該簡易病房呼叫系統(tǒng)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(xiāng)鎮(zhèn)等小型醫(yī)院及小型養(yǎng)老院。

關(guān)鍵詞：NRF24L01無線收發(fā)模塊； AT89S52單片機；病房呼救系統(tǒng)；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(dāng)前醫(yī)用呼叫控制系統(tǒng)已快速向智能化趨勢發(fā)展，系統(tǒng)功能也不斷增加。但目前廣泛應(yīng)用于醫(yī)院病房、養(yǎng)老院等醫(yī)療機構(gòu)的病房呼叫設(shè)備系統(tǒng)雖然功能多，性能較穩(wěn)定，但普遍成本高，安裝操作復(fù)雜，不適宜在鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院及小型養(yǎng)老院使用。本文針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院和小型養(yǎng)老院設(shè)計開發(fā)一款基于nRF24L01無線收發(fā)模塊的簡易病房呼救系統(tǒng)，通過調(diào)試簡單應(yīng)用，該系統(tǒng)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(wěn)定性，不會對其他醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)生干擾。

2 系統(tǒng)框架

按照系統(tǒng)設(shè)計功能的要求，本文研究的病房呼叫系統(tǒng)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(tǒng)、按鍵模塊、nRF24L01無線收發(fā)模塊、LCD1602液晶顯示模塊、聲光報警模塊和電源模塊。整個系統(tǒng)采用nRF24L01收發(fā)模塊，作為無線距離的數(shù)據(jù)傳輸模塊。主機部分主要負責(zé)數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)處理、顯示以及報警。從機部分主要是病床病號的數(shù)據(jù)采集和傳輸。發(fā)射與接收電路傳輸距離可達100m。接收到從機發(fā)過來的信號時，主機控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警，提醒有病人呼叫，護理員按下主機的響應(yīng)鍵，取消對應(yīng)的呼叫。NRF24L01具有自動重發(fā)功能、數(shù)據(jù)包識別及CRC校驗功能，增強型ShockBurstTM模式可同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU的工作量。系統(tǒng)框架如圖1所示。

3 硬件模塊設(shè)計

系統(tǒng)從機部分負責(zé)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(jīng)過單片機處理后從NRF24L01無線模塊傳輸病號的信號編碼發(fā)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(fā)送過來的病床序號數(shù)據(jù)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(dāng)接收到從機發(fā)過來的信號時，主機控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光報警，提醒有病人呼叫，護理員按下主機的呼應(yīng)鍵，取消對應(yīng)的呼叫。病房呼叫系統(tǒng)主機電路如圖3所示。

3.1 單片機系統(tǒng)

單片機采用STC89C52 單片機系統(tǒng)，由STC89C52單片機、復(fù)位電路、時鐘電路構(gòu)成。復(fù)位電路作用是確定單片機的工作起始狀態(tài)，完成單片機的啟動過程，系統(tǒng)采用加電自復(fù)位的復(fù)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(jié)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(zhí)行速度，本設(shè)計采用內(nèi)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(shù)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(shù)據(jù)腳接單片機的P0口。

3.3 電源模塊

病床無線呼叫系統(tǒng)的發(fā)射和接收都采用3節(jié)1.5 V干電池共4.5V做電源，經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。本設(shè)計采用了ASM1117-3.3V的直流穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓成3.3V，電容C4.C5.C6，C7濾波提供nRF24L01無線模塊的穩(wěn)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(guān)，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(tǒng)主機中聲光報警電路采用NPN型S8550三極管驅(qū)動，當(dāng)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(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三幾個飽和導(dǎo)通，此時發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報警，當(dāng)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(tǒng)采用NRF24L01無線收發(fā)模塊，該無線傳輸通過兩個發(fā)送端分別負責(zé)電能發(fā)射與接收。發(fā)送數(shù)據(jù)時，第一步，將NRF24L01模塊設(shè)置為發(fā)射模式；第二步，通過SPI口按照時序變化將接收節(jié)點地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD寫入NRF24L01的緩存區(qū)；第三步，將CE置為10μs以上的高電平，等待延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù)，如自動應(yīng)答開啟，NRF24L01進入接收模式，接收應(yīng)答信號，收到應(yīng)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(yīng)答，則自動重新發(fā)射。接收數(shù)據(jù)時，第一步，將NRF24L01配置為接收模式，等待數(shù)據(jù)時同樣需要延遲130μs進入接收狀態(tài)；第二步，如接收方能夠檢測到CRC和有效地址時，開始將數(shù)據(jù)包存儲在RX FIFO中，同時中斷標志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。若此時自動應(yīng)答開啟，接收方則同時進入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)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(tǒng)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(shù)的程序。測試按鍵和液晶顯示；

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

6） 整合顯示、收發(fā)、超聲波顯示按鍵程序，檢測系統(tǒng)發(fā)送端能否正常發(fā)送，檢測報警參數(shù)的設(shè)置。

4 軟件程序設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)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(tài)進行檢測，當(dāng)從機單片機掃描到有按鍵按下時，通過nRF24L01無線傳輸芯片發(fā)送按鍵對應(yīng)地址碼，不同病房號通過編碼不同予以區(qū)分。從機收到地址碼后顯示相應(yīng)

病床號并報警，按下響應(yīng)鍵，再由nRF24L01芯片傳送給從機來取消響應(yīng)。

4.1 主機程序流程圖設(shè)計

主機程序流程圖設(shè)計如下所示：

主機接收到呼叫信號à存儲接收到的信號數(shù)據(jù)à調(diào)用軟

件部分的顯示子程序循環(huán)顯示à給呼叫器發(fā)送出回應(yīng)信號à再次置NRF24L01芯片于接收狀態(tài)等待信息。

4.2 從機程序流程圖設(shè)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(shè)置NRF24L01為發(fā)射狀態(tài)à開始地址碼傳送à將nRF24L01芯片設(shè)置回接收狀態(tài)等待確認信息à進入等待，如此循環(huán)工作。

5 總結(jié)

基于nRF24L01的簡易病房呼救系統(tǒng)通過病區(qū)的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)了醫(yī)護人員和病員之間的通信聯(lián)系。通過控制系統(tǒng)的硬件聯(lián)調(diào)、軟件聯(lián)調(diào)、系統(tǒng)仿真、仿真燒錄和現(xiàn)場安裝調(diào)試等幾個環(huán)節(jié)的調(diào)試運行，系統(tǒng)實現(xiàn)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(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)具有較高可行性，能夠為醫(yī)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(tǒng)。可為小型醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)提供簡便可行的醫(yī)護設(shè)備。

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