無線病房呼叫系統(tǒng)的設計

1 引言
目前醫(yī)院使用的病房呼叫系統(tǒng)多為有線呼叫系統(tǒng)，存在布線復雜、布線費用較高、易出故障、維修不便、明線不雅觀等缺陷。本文介紹的無線呼叫系統(tǒng)沒有上述缺點，安裝方便，成本低，使用簡單。

2 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)利用MCS-51系列單片機的串行傳輸功能，將串行輸出信號傳送到發(fā)射電路，當信號為高電平時高頻發(fā)射電路工作，并發(fā)射433 MHz等幅高頻信號，當信號為低平時高頻發(fā)射電路停止工作，所以高頻發(fā)射電路完全受控于單片機串行輸出的數(shù)字信號，對高頻電路完成幅度鍵控(ASK調制)。采用超載波接收板接收高頻信號，信號解碼、聲光報警、動態(tài)顯示等功能由單片機完成。
2.1 系統(tǒng)主機的設計
本系統(tǒng)的主機以AT89C51為核心，電路如圖1所示，電源電路與從機電路電源部分(見圖2)相同。

主機電路包括高頻發(fā)射模塊、超載波接收模塊、數(shù)碼顯示驅動模塊、鍵盤掃描、聲光報警、復位電路等。待機情況下，數(shù)碼管顯示全零，聲光報警電路均不工作。當病人按動安裝在床頭的從機按鍵時，安裝在護士站的主機收到信號后發(fā)出3聲“嘀”的提示音，同時發(fā)光二極管亮，數(shù)碼管顯示呼叫病人的床位號和呼叫次數(shù)，醫(yī)生或護士根據(jù)顯示床位號進行治療與服務。主機具有記憶最近呼叫的9組床位號及其呼叫次數(shù)的功能。
AT89C51中有一個全雙工異步串行通信接口，可用作UATR(通用異步接收和發(fā)送器)，也可用作同步移位寄存器。在本系統(tǒng)設計中，UATR為串行工作方式1。單片機以串行通信方式工作時，串行口檢測到1個由“l(fā)”到“0”的跳變時開始啟動串行接收，且單片機在非串行通信時段內的輸出為“1”，所以在發(fā)射電路之前和接收模塊之后均需再加1個非門，防止發(fā)射電路在非通信時一直處于發(fā)射狀態(tài)，同時滿足單片機串行通信要求，保證單片機能夠正常收發(fā)數(shù)據(jù)。需要發(fā)射的數(shù)據(jù)信號從AT89C51的11引腳輸出經(jīng)反相后送到433MHz高頻發(fā)射電路發(fā)射。該高頻發(fā)射電路采用聲表面波(SAW)諧振器穩(wěn)頻，性能穩(wěn)定，無需任何調試即可正常工作。因為高頻接收電路易受干擾，不易調試，而市售成品接收模塊性能穩(wěn)定，價格低，故本系統(tǒng)中采用成品接收模塊，該接收模塊收到的信號經(jīng)反相后送入AT89C51的10引腳進行解碼。
2.2 系統(tǒng)從機的設計
從機采用AT89C2051作為核心，主要完成串行通信、按鍵掃描、聲光警報等功能。單片機的Pl口設定為用戶可任意修改的數(shù)據(jù)腳，用戶通過撥碼器根據(jù)需要任意設定Pl口為高電平或低電平，共256種設置表示256個床位號，如圖2所示。

電路中設有1個呼叫按鍵，當病人要呼叫護理總臺時，只要按下按鍵，此時指示燈閃亮。主機收到呼叫后發(fā)出聲光報警提醒值班醫(yī)生或護士，如果值班醫(yī)生或護士按主機回復鍵，則從機收到信號后發(fā)出聲光警報，指示燈閃4次，蜂鳴器發(fā)出3聲“嘀”，以提示病人醫(yī)生或護士已經(jīng)收到呼叫。從機的串行信號發(fā)射和接收電路與主機相同，不再詳述。

3 軟件設計
3.1 發(fā)射數(shù)據(jù)格式
單片機和接收模塊工作時，通常用戶可以自定義傳輸協(xié)議，不論用何種調制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響數(shù)據(jù)收發(fā)的可靠性。常用信息碼格式為：前導碼+同步碼+數(shù)據(jù)幀。
前導碼發(fā)射時間應大于10 ms，以避開背景噪聲，因為接收模塊接收到的第一位數(shù)據(jù)極易被干擾(即零電平干擾)而引起接收數(shù)據(jù)錯誤。所以在發(fā)射同步碼前加一些前導碼以抑制零電平干擾。同步碼主要用于區(qū)別前導碼及數(shù)據(jù)，有一定的特征，使軟件通過一定的算法鑒別出同步碼，同時做好接收數(shù)據(jù)準備。數(shù)據(jù)幀即是要傳送的信號。
本系統(tǒng)是運用單片機的串行通信，數(shù)據(jù)每次發(fā)送4幀，第一幀為8位全0碼，第二幀為8位全1碼，這2幀數(shù)據(jù)是前導碼，實踐證明能良好抑制零電平干擾；第三幀為8位同步碼，以不同的同步碼構成256組不同的呼叫系統(tǒng)；第四幀8位表示256個不同的床位號。經(jīng)過軟件比較后，發(fā)現(xiàn)接收到的前2幀為全0碼和全l碼后才開始接收同步幀和數(shù)據(jù)幀。軟件判斷同步幀數(shù)據(jù)為本呼叫系統(tǒng)的同步碼后解碼數(shù)據(jù)幀，顯示床位號和呼叫次數(shù)，并以聲光報警。
3.2 主機軟件設計
主機主程序主要完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化、串口中斷配置、按鍵掃描、鍵值處理、聲光報警和掃描顯示等，其流程如圖3所示。串行發(fā)射和接收中斷子程序的流程圖如圖4和圖5所示。

3.3 從機軟件設計
從機主程序流程如圖6所示。從機串行發(fā)射和接收中斷子程序的流程同主機相同。

4 幾個可靠性問題的處理
選擇合理的通信速率。接收數(shù)據(jù)模塊的最大數(shù)據(jù)率為9.6K字節(jié)，一般控制在2.5K字節(jié)左右，過高的數(shù)據(jù)速率會降低接收靈敏度及增大誤碼率，甚至使系統(tǒng)根本無法正常工作。本系統(tǒng)的波特率為2 604 b/s。
51系列單片機工作時，會產生比較強的電磁輻射，主要頻率在9 MHz~900 MHz，它會影響無線接收模塊的靈敏度。解決方法：一是對接收模塊采用獨立的5 V電源；二是布板時應在單片機周圍增加大面積地層以減小單片機的電磁輻射；三是使用盡量低的單片機振蕩頻率，本系統(tǒng)采用4 MHz晶體振蕩器；四是對單片機進行屏蔽。同時采用這些措施能較好地解決靈敏度干擾問題。
另外，采用軟件陷阱和軟件冗余等技術可提高系統(tǒng)抗干擾能力。

5 結束語
本系統(tǒng)目前已投入生產，實際使用證明該系統(tǒng)工作可靠，故障率低，易于安裝維護，使用方便。經(jīng)實測，穩(wěn)定可靠的呼叫距離可達100 m以上，能滿足實際使用要求。只需延長發(fā)射信號的同步碼和數(shù)據(jù)幀長度，就可方便地對系統(tǒng)進行功能擴展。
本系統(tǒng)不僅適用于醫(yī)院病房，稍加改進還可廣泛應用于需要多路防范戒備的防盜、大型停車場管理、酒店客房對總臺呼叫、教學提問搶答、無線航模、多種動作控制的無線遙控玩具等場合。