基于Wifi的嵌入式多功能病房呼叫系统

姜涛，杨学存

（1.国网新疆电力有限公司电力科学研究院，新疆乌鲁木齐，830000；2.西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安，710054）

0 引言

在信息时代的今天，医疗体系改革也逐渐和信息化接轨，病房呼叫系统作为传统的患者与护士的通信手段，其功能也越来越丰富，己经成为现代医院对病人救护的不可或缺的设备。随着“无线城市”概念的提出，WiFi 无线通信技术得到了迅速发展，采用WiFi无线通信技术实现主控中心与病房终端的通信，不仅使通信更可靠，成本低，而且增加了主控中心的便捷性，克服了有线呼叫布线的困难和无线呼叫ZigBee的抗干扰能力差、距离近、网络结构复杂的缺点[1]-[3]。因此本文将研究基于WiFi的多功能病床呼叫系统。研究内容包括病床呼叫终端的供电、主控电路、通信接口和通信协议、语音、数据存储等。既可以帮助病人快速的呼叫医护人员，也可减轻医护人员巡视病房的辛劳，减轻医护人员值班的心理压力，在无呼叫时放心的做好其他医护工作，从而提高了医护效率。

1 系统总体方案设计

图1 系统硬件框图

本设计将嵌入式技术与无线网络技术相结合，以嵌入式微处理器和ESP8266无线模块等外围器件组成整个医院病房呼叫系统的平台，无线网络利用WiFi无线网络技术实现[4]-[5]。除了有传统的无线呼叫功能外，还具有输液检测功能。输液检测由电容传感器测得的静脉输液吊瓶液位的参数，进行模拟量信号的处理，再传送给ESP8266无线模块。然后ESP8266无线模块负责将采集到的数据信息传送至护士站，进行无线通信。最后经过嵌入式微处理器处理的信号通过RS232总线实现数据的传输，将数据传输给上位机，最后在上位机的液晶显示屏上显示各个病房当前的呼叫状况以供护士人员作出相应应答，从而实现医院病床的呼叫系统。系统将实现以下功能：对呼叫的提示以及显示功能；床号、呼叫内容和呼叫时间显示功能；呼叫回复功能；呼叫记录、显示、翻查和统计功能；液晶显示功能，实时网络监控功能。无线病房呼叫系统功能框图如图1所示。

2 系统主要硬件模块设计

2.1 键盘电路硬件设计

本系统硬件采用3×3行列式键盘，键盘的连接电路如图2所示。该行列式键盘行线需要接入上拉电阻上拉到+3.3V电压，按键的两个引脚分别连接到行线和列线上。在没有按键被按下的情况下，行线时钟保持为高电平状态，而一旦有键被按下的时候，行线则被拉为低，此时STM32扫描到有键被按下，转入按键处理函数，处理按键请求。

图2 按键电路

进行键盘扫描的过程是把所有的行线先全部置为高电平，然后把每一列轮流设置为低电平，然后扫描行线，若那一行变为低电平则可知道哪一行有键被按下，然后读取所有行列线I/O口的值，与存储在系统中的码值比较，确定那个键被按下。为了保证按键处理安全可靠，还要在软件中加入延时，去抖动函数，以防止误操作发生。

图3 ULN2003AN步进电机驱动电路图

2.2 基于病床控制的步进电机模块设计

本设计的主要控制对象是28BYJ-48型减速步进电机，所以选择常用的可以驱动7路负载的ULN2003AN为驱动芯片。ULN2003AN属于高耐压、大电流达林顿系列，它由七个硅NPN达林顿管组成，吸收电流可达500mA，输出耐压50V，具有很强的驱动能力。其内部具有7组达林顿管电路，可以驱动7路负载。IN0～IN7为七路输入信号控制端可与单片机引脚直接相连控制，当输入端口信号为高电平时，输出端口OUT-1～OUT7输出信号为低电平。电路图如图3所示。

2.3 基于电容传感器的非接触式液位传感器模块设计

智能型非接触式液位感应器是利用水的感应电容来检测是否有液体存在[6][7]，在没有液体接近感应器时，感应器上由于分布电容的存在，因此感应器对地存在一定的静态电容，当液面慢慢升高接近感应器时，液体的寄生电容将耦合到这个静态电容上，使感应器的最终电容值变大，该变化的电容信号再输入到控制IC进行信号转换，将变化的电容量转换成某种电信号的变化量，再由一定的算法来检测和判断这个变化量的程度，当这个变化量超过一定的阈值时就认为液位到达感应点。如图4所示。

图4 液位传感器电路图

该液位传感器外接+5V的电源，输出为5V，但STM32能够接受的电压为3.3V，故经过一个分压电阻将5V分压为3.3V，将3.3V接到控制器的PB1引脚上。传感器模式选择为低电平有效。当液面低于测量高度时，传感器指示灯灭并输出信号。

2.4 基于ESP8266的WiFi模块硬件设计

ESP8266芯片是一个自成体系、完整的WiFi网络解决方案[8][9]。本次设计所使用的ESP8266属于串口型的，它的速度比较低，不能传输视频或者图像这些大容量的数据。安信可公司推出的ESP8266-WiFi模块有很多，它们使用的方法都大同小异，简单易操作。本次设计使用的普中STM32开发板预留有ESP8266-WiFi模块接口，可以将此模块直接接入开发板接口，无需额外连线。

ESP8266-WiFi模块支持ST/AP/ST+AP三种工作模式。利用 ESP8266 可以实现十分灵活的网络拓扑和组网方式。本次设计选用的是ST+AP模式。ESP8266-WiFi模块与STM32接口电路如图5所示。

图5 ESP8266-WiFi模块与STM32接口电路

该模块外接电源为+3.3V，不能接5V。若想从FLASH启动进入AT系统，只需CH-PD引脚接上拉或接VCC（不接上拉的情况下，串口可能无数据），其余三个引脚可选择悬空。在CH-PD和VCC之间焊接电阻 后，将 VCC、UTXD、URXD、GND连上USB-TTL即可进行测试。

3 系统软件设计

嵌入式病床呼叫系统的主流程图如图6所示[10]。系统上电初始化后进入，配置WiFi的工作模式，等待连接护士站的服务器，如果不能连接将在此重置WiFi模块，直到连接服务器。连接服务器后开始进行红外遥控的检测和按键的检测，判断是否开启自动液位检测，如果开启自动检测，将自动检测模式选择功能，手动控制模块包括语音输入、按键输入两种输入方式，在手动模式下当检测到有语音输入或者扫描到有按键按下时，病房走廊进行显示和报警，并通过WiFi模块经路由器送至护士站监控室，显示呼叫病房的信息，护士即可进行相应的处理。在自动模式下，通过检测电容式液位传感器电容的大小，判断液位的变化，将液位的变化信号转换成可供处理器识别的数字信号。然后进行报警和显示，并将呼叫信息通过路由器传送至护士站监控室。

图6 系统软件流程图

4 系统调试结果

图7 系统实物图

系统软件和硬件设计完成之后，就能构成了一个完整的系统。硬件系统由STM32处理器、红外遥控模块、DS18B20温度测量模块、烟雾检测与报警模块、液位自动检测模块、病房呼叫语音播报模块、按键模块、TFT显示模块和电机驱动模块等构成。系统联调实物图如图7所示，上位机的监控画面如图8所示。

图8 护士站有呼叫信号时的监控画面

5 结论

本论文主要论述了医院住院病房呼叫系统的研究与开发工作，从系统目前的运行效果和测试结果来看，系统的各个功能模块都达到了预期的要求，实现了病房呼叫系统的各项指标和要求。完成了系统下位机硬件及软件的设计与测试，使用STM32位控制器，实现静脉输液液位的自动检测，无烟病房的烟雾自动报警，床铺的升降控制，呼叫请求的显示，以及呼叫请求的声光报警等要求。完成了系统上位机软件的设计与测试，并使用Visual Basic制作了的数据库和数据表，对来自病房的呼叫信号实现了显示报警和存储功能，方便以后查询使用。