基于低壓電力線載波技術(shù)的病房呼叫系統(tǒng)

基于低壓電力線載波技術(shù)的病房呼叫系統(tǒng)
鄔春明1, 王艷茹2
(1．東北電力學(xué)院 信息工程學(xué)院,吉林 132012; 2．北華大學(xué) 公共基礎(chǔ)部,吉林132013)
 
　　摘　要：闡述了病房呼叫系統(tǒng)的基本組成以及一些相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。基于MSC—51單片機(jī)多機(jī)通訊的設(shè)計(jì)思路,以SC1128擴(kuò)頻通信芯片為基礎(chǔ),輔以外圍電路,設(shè)計(jì)了一個(gè)利用低壓載波傳輸數(shù)據(jù)的病房呼叫系統(tǒng);并基于Power Builder語言知識(shí)設(shè)計(jì)了病房呼叫系統(tǒng)的管理界面。
　　關(guān)鍵詞：電力線 載波通訊 病房呼叫系統(tǒng) SC1128芯片 單片機(jī)

　　近年來,隨著通信技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/電力線">電力線載波通信方面作了大量的研究工作。電力供電網(wǎng)絡(luò)四通八達(dá),低壓電力線連接千家萬戶,構(gòu)成最普及的網(wǎng)絡(luò),利用它進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,傳遞各種信息,不占用無線頻道資源,亦無需鋪設(shè)專用通訊線路,省工、省錢、維護(hù)簡單、有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　傳統(tǒng)的病房呼叫系統(tǒng)普遍采用有線式,不僅布線安裝繁瑣、維護(hù)不便、利用率低,而且實(shí)時(shí)性差。雖然無線式呼叫系統(tǒng)沒有布線問題,但它的可靠性差,而且無線電波會(huì)干擾其它醫(yī)療儀器設(shè)備,目前大多數(shù)醫(yī)院不采用無線呼叫系統(tǒng)。
　　隨著電力載波技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用低壓電力線作為傳輸媒質(zhì),采用擴(kuò)頻、數(shù)字編碼、單片機(jī)控制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)病房呼叫已成為可能。本文運(yùn)用電力載波技術(shù)設(shè)計(jì)了一種病房呼叫系統(tǒng)。
1 病房呼叫系統(tǒng)的基本要求
　　臨床求助呼叫是傳送臨床信息的重要手段,病房呼叫系統(tǒng)是病人請(qǐng)求值班醫(yī)生或護(hù)士進(jìn)行診斷或護(hù)理的緊急呼叫工具,可將病人的請(qǐng)求快速傳送給值班醫(yī)生或護(hù)士,并在值班室的監(jiān)控中心電腦上留下準(zhǔn)確完整的記錄,是提高醫(yī)院和病室護(hù)理水平的必備設(shè)備之一。呼叫系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到病員的安危,歷來受到各大醫(yī)院的普遍重視。它要求及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠、簡便可行、利于推廣。利用電力線載波通信技術(shù)、單片機(jī)多機(jī)通信和計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理技術(shù)設(shè)計(jì)的具有呼叫、振鈴、顯示排隊(duì)、優(yōu)先權(quán)設(shè)定、存儲(chǔ)記錄等功能的病床呼叫系統(tǒng),滿足了醫(yī)院的病房管理和護(hù)理要求。
2 病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)組成與工作原理
　　病房呼叫系統(tǒng)由若干個(gè)呼叫源(一般每張病床為一個(gè))、調(diào)制解調(diào)載波模塊、耦合電路和監(jiān)護(hù)系統(tǒng)組成,如圖1所示。當(dāng)呼叫源有呼叫信號(hào)時(shí),在監(jiān)控系統(tǒng)上有相應(yīng)的聲、光呼叫信號(hào)指示,并能顯示出呼叫編號(hào)。若采用并行總線擴(kuò)展方式,上百個(gè)呼叫源與主機(jī)之間的布線太復(fù)雜,故本系統(tǒng)利用單片機(jī)的串行通訊功能,使得主機(jī)到各個(gè)從機(jī)之間的信號(hào)通過電力線載波調(diào)制解調(diào)模塊,經(jīng)過～220V民用電力線傳輸,實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳送。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu),監(jiān)控系統(tǒng)(主機(jī))放在醫(yī)生值班室內(nèi)(可以通過接口電路與計(jì)算機(jī)相聯(lián),構(gòu)成監(jiān)護(hù)中心),當(dāng)病床有呼叫請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警,并在顯示器上顯示病床的位置。呼叫源(從機(jī))放在病房內(nèi),病人有呼叫請(qǐng)求時(shí),按下請(qǐng)求按鈕,向值班室呼叫,并點(diǎn)亮呼叫指示燈。主機(jī)和從機(jī)之間通過電力線連接在一起。主機(jī)和從機(jī)通訊時(shí),主機(jī)依次向各從機(jī)發(fā)送地址信息,各從機(jī)接收主機(jī)發(fā)來的地址信息,如果和自己的地址相同,則向主機(jī)發(fā)送自己的報(bào)警信息,無報(bào)警信息時(shí),向主機(jī)發(fā)送一個(gè)空號(hào)(00)。
2.2 SC1128擴(kuò)頻通信芯片及收發(fā)電路簡介
　　SC1128芯片是面向電力線載波通信市場而開發(fā)研制的專用擴(kuò)頻調(diào)制/解調(diào)器電路。由于采用了直接序列擴(kuò)頻、數(shù)字信號(hào)處理、直接數(shù)字頻率合成等新技術(shù),因此該電路應(yīng)用在電力線通信方面具有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能。SC1128芯片內(nèi)部集成了擴(kuò)頻/解擴(kuò)、調(diào)制/解調(diào)、D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換、內(nèi)置電子表、輸出驅(qū)動(dòng)、輸入信號(hào)放大、看門狗、工作電壓檢測以及與單片機(jī)(MCU)串口通信等功能。該芯片在小型多功能應(yīng)用系統(tǒng)中可以起到降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)功能的作用。
　　SC1128芯片組成的收發(fā)電路框圖如圖2所示,信號(hào)由電力線經(jīng)耦合器、帶通濾波器和前級(jí)放大器進(jìn)入SC1128芯片。經(jīng)過處理后通過功率放大器和耦合器發(fā)送至電力線上,完成信號(hào)在電力線上的發(fā)送和接收?？蛞粸轳詈暇€圈,它可將框三中發(fā)射的信號(hào)耦合到電力線;又可將電力線上接收的信號(hào)耦合到框二?？蚨榍凹?jí)接收電路,它將接收的信號(hào)經(jīng)濾波、放大后,送入SC1128的一級(jí)運(yùn)算放大器(13腳)進(jìn)行處理?？蛉秊楣β史糯笃?它將SC1128的24腳發(fā)出的調(diào)相信號(hào)進(jìn)行功率放大,經(jīng)耦合線圈送入電力線?？蛩臑镾C1128內(nèi)部部分模擬信號(hào)處理電路,包含三級(jí)運(yùn)算放大器,其中一級(jí)運(yùn)放的增益可調(diào)。

圖2 SC1128芯片組成的收發(fā)電路框圖

2.3 呼叫源電路的設(shè)計(jì)
　　呼叫源由8051單片機(jī)(從機(jī))、SC1128擴(kuò)頻通信芯片及一些外圍電路組成,如圖3所示。八個(gè)請(qǐng)求按鈕開關(guān)接在單片機(jī)8051的P0口上,當(dāng)某一按鈕按下時(shí),該按鈕對(duì)應(yīng)的P0口的某一輸入狀態(tài)為0。當(dāng)單片機(jī)確認(rèn)主機(jī)呼叫該機(jī)地址時(shí),掃描P0口上的8位I/O端口狀態(tài),一旦有鍵按下,立即把該P(yáng)0口對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求信息發(fā)送給主機(jī),并等待主機(jī)的確認(rèn)。當(dāng)主機(jī)返回正確信息時(shí),通過P2口驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的LED指示燈顯示,表明那一個(gè)請(qǐng)求信號(hào)發(fā)送成功。八個(gè)請(qǐng)求按鈕開關(guān)分別編號(hào),每個(gè)開關(guān)代表一種請(qǐng)求信息,由用戶自行定義。

圖3 病房呼叫源電路

　　8051單片機(jī)的P1.0和RST/VPD口接備用電源及掉電保護(hù)電路,以保證發(fā)生停電等電源故障時(shí)系統(tǒng)能夠正常使用。假如系統(tǒng)已檢測到“即將發(fā)生掉電故障”信號(hào),則信號(hào)通過外部中斷INT0向主機(jī)請(qǐng)求中斷,主機(jī)響應(yīng)中斷便把有關(guān)數(shù)據(jù)送內(nèi)部RAM保存,然后向P1.0寫入“0”,由P1.0引腳上的低電平觸發(fā)555定時(shí)器,而555定時(shí)器的輸出脈沖取決于R、C和VCC。若555定時(shí)器定時(shí)結(jié)束,VCC仍正常,這表明“即將發(fā)生掉電故障”信號(hào)是個(gè)錯(cuò)誤的告警信號(hào),則555輸出的正脈沖加在RST/VPD使主機(jī)復(fù)位后開始重新操作;如果RST/VPD在555定時(shí)結(jié)束時(shí)確實(shí)變低了,則555定時(shí)器在P1.0低電平觸發(fā)下輸出高電平加在RST/VPD上作備用電源,直到VCC又恢復(fù)正常,然后再保持一段由R、C所決定的正脈沖寬度時(shí)間。應(yīng)選擇合適的R、C值,以使得在主電源VCC恢復(fù)正常后,有足夠的加電復(fù)位時(shí)間,使主機(jī)可靠復(fù)位后恢復(fù)正常運(yùn)行。8051的時(shí)鐘采用片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式,在XTAL1和XTAL2腳外接石英晶體(6MHz)和振蕩電容。串行口RXD(P3.0)和TXD(P3.1)通過SC1128芯片及電力線與主機(jī)通訊。呼叫源中斷程序流程圖如圖4所示。

圖4 呼叫源中斷程序流程圖

2.4 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　監(jiān)控系統(tǒng)由8051單片機(jī)(主機(jī))、顯示裝置、報(bào)警電路、SC1128芯片及一些外圍電路組成,如圖5所示。8051單片機(jī)P0口的三條I/O線,提供MC14499所需的時(shí)鐘信號(hào)、使能信號(hào)和串行數(shù)據(jù),MC14499驅(qū)動(dòng)和控制四塊LED八段顯示器,LED數(shù)碼管顯示發(fā)出報(bào)警的病人所在的床位號(hào)和報(bào)警類別,其中,前三位LED指示的是床位號(hào),后一位指示的是報(bào)警類別。
　　P2.0口通過非門驅(qū)動(dòng)報(bào)警揚(yáng)聲器。主機(jī)設(shè)一個(gè)按鈕鍵K,直接連在INT0上,K用于撤消報(bào)警聲和LED數(shù)碼管所指示的報(bào)警源。該電路采用的備用電源及掉電保護(hù)電路和時(shí)鐘振蕩方式與呼叫源電路相同。監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)程序流程圖

圖7 登錄界面

圖8 管理界面

2.5 病房呼叫管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　上述各部分電路組合已能完成病房呼叫功能,為完善系統(tǒng),使呼叫系統(tǒng)能與病床信息管理相結(jié)合,設(shè)計(jì)了病房呼叫管理系統(tǒng)軟件,從而構(gòu)成由計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的接口電路所組成的病房監(jiān)護(hù)中心。呼叫的信息經(jīng)微處理器處理后通過接口電路輸入到計(jì)算機(jī),再通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)呼叫信息及病人信息進(jìn)行管理。這里僅對(duì)基于POWER BUIDER9.0的病房呼叫管理系統(tǒng)軟件介紹如下:
　　本系統(tǒng)設(shè)有保護(hù)功能,非管理人員不能進(jìn)入系統(tǒng)獲取信息,只有獲得密碼才能進(jìn)入該系統(tǒng)的信息界面。登錄界面如圖7所示。
　　本系統(tǒng)具有添加功能、編輯功能、查詢功能、刪除功能、翻頁功能、退出功能。在檢測到正確的密碼后,系統(tǒng)進(jìn)入管理界面(如圖8所示),該界面包括病人基本資料的管理,呼叫信息的顯示、分類和存儲(chǔ)查詢等功能。
　　病人基本資料管理采用的是在數(shù)據(jù)庫中建立病人的數(shù)據(jù)信息,數(shù)據(jù)庫由表組成。表是在數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)有組織的數(shù)據(jù)的方法,表有預(yù)先定義好的結(jié)構(gòu),并存儲(chǔ)符合此結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。
　　本系統(tǒng)的主機(jī)采用查詢方式,從機(jī)采用中斷方式,系統(tǒng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
　　(1)當(dāng)呼叫源接收到的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)送的地址碼與本機(jī)地址碼一致時(shí),將報(bào)警點(diǎn)的報(bào)警狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)護(hù)系統(tǒng);若不一樣,則不予響應(yīng)。單片機(jī)不斷地對(duì)檢測點(diǎn)進(jìn)行巡回檢測,就保證了某一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)呼叫源發(fā)出報(bào)警信號(hào),解決了信道爭用問題,真正實(shí)現(xiàn)了多路呼叫。
　　(2)本系統(tǒng)采用具有調(diào)制解調(diào)功能的SC1128芯片和借助電力線構(gòu)成的通訊網(wǎng)絡(luò),具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、工作方式靈活可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　(3)本系統(tǒng)采用POWER BUIDER9.0設(shè)計(jì)的信息監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件具有界面友好、保密性強(qiáng)、易用性強(qiáng)等特點(diǎn),操作人員經(jīng)短期培訓(xùn)即可掌握。
　　總之,本呼叫系統(tǒng)與現(xiàn)有的其它呼叫系統(tǒng)相比具有可靠、簡單、實(shí)用等特點(diǎn),適合各級(jí)各類醫(yī)院使用。尤其對(duì)已建成且需增設(shè)呼叫系統(tǒng)的醫(yī)院來說,基于電力線的病房呼叫系統(tǒng)應(yīng)是首選。
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