基于NRF24L01的病床無線呼叫系統

劉小兵 楊杰 譚道軍

摘要：隨著物質生活水平的步步上升，人們對醫療服務水平的要求變得越來越高。在養老院和醫院等地方，病床呼叫系統作為聯系病員和醫護人員的專用呼叫系統，成為了醫院護理的必需設備之一。本項目以STC89C52單片機為控制核心，利用NRF24L01射頻模塊進行無線傳輸，開發出低成本、低功耗、相對較遠的傳輸距離以及能夠實現穩定通信的醫院病房無線呼叫系統。關鍵詞：無線病床呼叫；NRF24L01；STC89C52單片機 作為傳送病床及時信息的重要手段之一，病房呼叫系統可以把病人的請求及時迅速的傳送給值班的醫護人員，同時能在醫院的的醫護監控中心主機上留下完整且準確的信息記錄，成為了完善醫院的護理水平的必需設備之一。呼叫系統的好壞會關系到病人的病態安危，一直以來廣受各個醫院的高度關注。它要求準確可靠并且及時的傳達消息，同時設備需要簡單而且利于推廣。而傳統無線式的病房呼叫系統可靠性較差，并且發出的無線電波會干預到其它的醫療儀器設備，所以目前大部分的醫院不使用無線呼叫系統。本病房無線呼叫系統的設計采用了Nordic公司新推出的NRF24L01射頻芯片，并且有低功耗的單片機STC89C52控制完成實現短距離無線數據通信的優勢。該設計具有成本低、功耗低、傳輸速度快、軟件設計簡潔簡單和以及通信穩定可靠穩定等特點。1 芯片資料簡介1.1無線收發模塊無線收發模塊是由挪威（Nordic）公司的NRF24L01芯片以及其外圍電路組成。NRF24L01作為單片射頻收發芯片，工作在2.4～2.5GHz世界通用的ISM頻段，工作電壓范圍為1.9～3.6V，通過SPI輸入數據，最高速率可達10Mbit/s，數據傳輸速率最高可達到2Mbit/[8]，而且還有自動應答以及自動再發射的功能。芯片加入了增強式的ShockBurst技術，輸出功率以及通信頻道可以由程序設計來進行配置。配置寄存器能夠將NRF24L01配置為發射、接收、空閑和掉電這四種工作的模式。1.2 LCD1602液晶顯示模塊LCD1602 是一種工業字符型液晶，可以同時顯示32個字符（16列2行）。日常生活中，液晶顯示器對于我們而言并不陌生。液晶顯示模塊已經成為了多數電子產品的顯示器件，比如在萬用表、計算器以及大多家用電子有顯示器的產品中均可以看到，主要顯示出數字、圖形和專用符號。在人機交流界面中，常見的輸出顯示方式有：發光管、液晶顯示器和LED數碼管。1.3 STC89C52單片機簡介 STC89C52是一種功耗低、性能高的CMOS8位微控制器，其有8K的可編程Flash存儲器。存儲器使用的是高密度且非易失性技術，這樣會和工業80C51系列的產品的指令和引腳十分兼容。STC89C52有如下的標準功能：8k字節的Flash、256字節的RAM、32 位的I/O 口線、看門狗定時器、2個數據指針、3個16位定時器/計數器、一個6向量2級中斷結構、全雙工串行口、片內的晶振及時鐘電路。2 與功能實現2.1 總體方案設計基于NRF24L01無線病床呼叫系統主要是由主機部分和從機部分組成。從機部分主要是完成病床病號端的數據采集和數據的傳輸。主機部分主要完成接收數據，數據處理、顯示以及實現報警，發射端和接收電路端的距離可達到100m。接收到從機發過來的信號時，發光二極管和蜂鳴器會發出聲光來報警，提醒有病人正在呼叫，護理員按下主機的呼應鍵，取消對應的呼叫。按照功能設計的要求，本系統主要由6個模塊構成：主控制器、按鍵電路、無線發送電路、無線接收電路、LCD1602液晶顯示電路、聲光報警以及電源電路。病房無線呼叫系統的結構框圖如下圖1所示： 2.2 系統實現首先安裝電池，同時打開兩個開關的電源，通電后檢查各個部件線路接線，觀察是否有問題出現，例如是否有短路，是否有錯件接漏，查看各個原件的引腳情況以及是否與電路圖一致，通電后是否有漏電情況，觀察是否有不當的操作引起的原件發熱以及燒壞的可能，自己調整然后開始測試。打開主機和從機的開關，主機和從機電源指示燈會持續閃爍，而液晶顯示模塊開關的電源指示燈只有接受到從機的呼叫信號后，而從機的無線通電的指示燈會間斷持續閃爍。從機下方四個黑色按鈕，分別代表1.2.3.4號病床。通過各個部件的組裝以及焊接，無線呼叫系統符合本設計要求。2.4 系統測試開始測試時，首先從機按下1號按鈕，在主機的液晶顯示器上會出現1，主機的蜂鳴機會發出呼叫報警，提醒有信號接收，按下主機的呼應按鈕，取消相應的呼叫，蜂鳴聲才會消除，主機的指示燈才會取消持續的閃爍。然后按照上述測試步驟，分別測試2.3.4號病床。重復上述測試，從機按下1.2.3.4號按鈕，在主機的液晶顯示器上會出現1.2.3.4，主機的蜂鳴機會發出呼叫報警，提醒有信號接收，按下主機的呼應按鈕，取消相應的呼叫，蜂鳴聲才會消除，主機的指示燈才會取消持續的閃爍。此次測試從機接受多個信號，測試結果主機能收到病床1.2.3.4的信號，證明此設計的主機具有同時接受多個信號的特點，如下圖2所示。 3 結束語本文利用NRF24L01模塊設計病床無線呼叫系統，把安裝于病房的呼叫從機所采集的按鍵狀態及時的傳送給主機，主機接收到從機發過來處理信號時，主機控制蜂鳴器同發光二極管一起響應，發出相關聲光報警，且能在顯示屏上顯示對應的床位號，提醒醫護人員有病人呼叫。本設計性能穩定、使用的材料簡單、設備體積較小便于安裝、響應速度快且能實現較遠距離的傳輸，是無線技術在醫學臨床上的大膽應用，具有創新性和可行性。參考文獻[1]吳彬.醫院呼叫系統的總體設計與電路優化[J].人人健康（醫學導刊），2008（02）：93-94.[2]朱玉穎，蔡占輝.基于NRF24L01的遠程溫度檢測系統設計[J].自動化技術與應用，2010，29（05）：56-58.[3]劉卓婭.基于STC89C52的無線超聲波測距系統的研究與設計[D].華南理工大學，2017.[4]花加麗，馬鋒，李開霞，趙漢賓.基于nRF24L01腸道機器人無線圖像傳輸系統設計[J].自動化與儀器儀表，2019，01：87-89+93.作者簡介：劉小兵（1989-），男，湖南永州人，湖南科技學院，碩士，助教，主要從事智能控制和系統建模研究；楊杰（1976-），男，碩士，副教授，研究方向：網絡安全，人工智能；譚道軍（1975-），男，碩士，高級實驗師，研究方向：計算輔助教育。