基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统的设计

李洪博，汤云鹤，王旭康



基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统的设计

李洪博1，汤云鹤2，王旭康1

（1.中国电子科技集团公司第五十三研究所，天津300300；2.天津市滨海新区大港第一中学，天津300200）

为解决病人陪护与医护人员之间的管理监控漏洞，避免造成医患纠纷，优化目前广泛使用的有线呼叫系统布局弊端，进行了基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统的设计，系统组成单元包括无线适配器、显示终端、无线中继器和病房呼叫节点。该智能医疗呼叫系统具有显示清晰、通信方便、终端监控记录清晰、病人与医护人员使用方便快捷，也便于组成监控系统，推动了医疗呼叫系统向网络化、智能化方向发展，在社区医院及社区养老的医疗中具有广泛的应用前景。

智能医疗呼叫系统；无线适配器；USB转串口；无线中继器

目前，国内外广泛使用的病房呼叫系统主要有单总线的呼叫系统方案、多总线的呼叫方案、基于CAN总线的有线呼叫方案[1]，各方案均采用有线方式进行通信，存在布线复杂、布线费用高、老化漏电、可靠性差、维修性差、实时性差、网络监控差等诸多弊端[2]。基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统可解决目前使用的有线呼叫系统的诸多弊端，可以实现网络化管理，使病人得到方便快捷的医疗服务。该系统故障率低、性能稳定、可靠性高、可维修性高、实时性高，在终端PC机设置记录病人呼叫与医护人员处理情况的数据库，以更快速、更便捷、更优质的服务解决目前的医患矛盾，为推动无线医疗呼叫系统的发展提供很好的参考设计方案。

1 总体方案

基于无线通信模块的智能医疗呼叫系统的设计包含3层网络。第一层网络为上位机和适配器，第二层网络为显示终端，第三层网络为中继器和呼叫节点。设计的系统结构框图如图1所示。上位机与适配器之间通过串口通信的方式进行数据交换，适配器与显示终端之间通过无线通信方式进行通信，实现上位机与显示终端的数据交换，显示终端通过中继器与各个分节点进行无线通信，此时3层网络基本搭建完成。在软件程序编写的时候，可以将中继器和各分节点进行编号，使整个系统呈树形网络分布，底层节点可以通过此网络将数据一层一层地传送给显示终端和上位机中进行显示。

图1 系统总体结构框图

组成单元包括适配器、显示终端、中继器和呼叫节点。适配器由无线通信电路和USB串口通信电路等组成，主要完成上位机与显示终端之间的数据通信；显示终端由液晶显示电路、SD卡存储电路和无线通信电路等组成，主要完成病人信息的存储与显示功能；中继器主要由无线通信电路和电源电路组成，用来完成呼叫节点与显示终端之间的数据通信；呼叫节点由按键电路和无线通信电路等组成，主要完成将病人请求数据发送给显示终端的功能。软件设计实现了Si4432无线通信模块的数据传输、TFT-LCD液晶屏信息显示和SD卡数据存储等。

2 硬件设计

2.1 显示终端设计

显示终端需要实现液晶显示、无线通信和SD卡信息存储等功能，需要处理的数据量很大，采用基于ARM Cortex-M3核心32位微控制器STM32F103ZET6。STM32F103ZET6最小系统设计主要由STM32F103ZET6芯片电路、复位电路、外部高速时钟电路、外部低速时钟电路和JTAG仿真电路5部分电路设计组成，其设计原理图如图2所示。

图2 最小系统电路

无线通信模块采用Si4432无线通信模块，Si4432输出功率可达+20 dBm，接收灵敏度达到-121 dBm，通讯距离在100 m以上，并可以穿过5堵墙。该模块具有对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持[2]。Si4432电路原理图如图3所示。

图3 Si4432接口电路

按下呼叫按键，显示终端可以显示病人信息，需要对病人信息进行存储，当上位机通过软件输入病人信息时，这些信息可以通过适配器上的无线模块发送给显示终端，并在显示终端中存储。本设计选用SD卡来存储病人信息。

其他辅助电路包括液晶显示电路、实时时钟电路、电源电路、声光报警电路、SD卡接口电路等，显示终端电路图如图4所示。

2.2 无线适配器的设计

上位机与适配器之间通过USB串口通信的方式进行数据交换，适配器与显示终端之间通过无线通信方式进行通信。适配器主要实现上位机与显示终端之间的通讯功能，处理数据较少，采用STC公司8位微控制器STC89C52，由于适配器需要与上位机进行数据通信，且上位机与适配器通信距离并不远，采用串口通信方式，使用USB转串口芯片CH340设计USB转串口电路。USB转串口电路原理图如图5所示。适配器的整体电路原理图如图6所示。

图4 显示终端电路

图5 USB转串口电路

图6 无线适配器电路

2.3 无线中继器设计

中继器的设计主要包括STC89C52的最小系统电路、无线通信电路、电源电路等，中继器是为了保证良好的无线数据传输而设计的，无线通信电路选用Si4432作为无线通信模块，处理器选用STC89C52单片机就可以很好地处理无线数据的转接与转发。中继器的整体电路原理图如图7所示。

图7 无线中继器电路

2.4 呼叫节点的设计

按键呼叫电路中选用4个直插式轻触开关，分别代表询问、拔针、换药和紧急情况，当病人需要医护人员的帮助时可以将对应按键按下，此时会有对应的指示灯点亮，提示病人请求信息已经发出，当指示灯闪烁时，代表请求信息已经被接受[3]。呼叫节点的设计主要包括STC89C52的最小系统电路、无线通信电路、按键呼叫电路、电源电路等。呼叫节点整体电路原理图如图8所示。

图8 呼叫节点电路

3 软件设计

3.1 系统主程序

系统加电后，进行系统的初始化，初始化结束后，医护人员可以通过上位机输入病人信息，并通过串口通信方式将信息发送给适配器，适配器通过无线模块将病人信息发送给显示终端，显示终端接受并存储病人信息；当呼叫节点按键被按下时，呼叫信号通过中继器转发给显示终端，此时显示终端就可以将对应病人信息通过显示屏进行显示。系统主流程图如图9所示。

3.2 显示终端程序设计

显示终端软件部分包括无线通信、液晶显示和SD卡存储，液晶显示部分采用TFT-LCD液晶屏进行显示，该屏采用NT35510进行驱动，主要利用IIC总线协议实现。SD卡的存储使用SPI总线协议来实现。显示终端流程图见图10所示。

3.3 SI4432无线模块程序设计

在程序上将Si4432配置成全双工模式，实现数据的先接受再发送的过程，Si4432数据传输方式主要有3种，FIFO模式、直接模式和PN9模式。在FIFO模式下，使用片内的先入先出堆栈区来发送和接收数据。对FIFO的操作是通过SPI对特定寄存器的连续读或者写进行的[4]。Si4432无线模块发送程序流程图如图11所示。

图9 系统主程序

图10 显示终端流程图

图11 SI4432无线模块发送程序

4 系统联调与实验结果

系统联调由PC机、适配器、显示终端、中继器和呼叫节点组成。采用优化式调试方法，测试中以2个呼叫节点为例进行测试[5]，系统联调实物图如图12所示。

图12 系统联调实物图

医生办公室中的PC机通过串口向适配器发送病人信息数据，适配器通过无线模块将数据发送给护士办公室中的显示终端，显示终端将该信息存储；当病房中的呼叫节点的按键被按下时，会将病床号和病人的请求信息打包发送出去，数据经过中继器传送给显示终端，此时显示终端会在显示屏上显示出病床号、病人姓名、年龄和请求信息，并等待医护人员确认接受。

在显示界面中，记录了病人请求信息，方便医护人员进行信息查询，记录的信息包括日期、时间、病床号和病人的请求。接受病人的请求，显示屏上会弹出提示对话框，提示医护人员接收成功。接收成功后显示终端会发送一组数据给呼叫节点，此时呼叫节点的指示灯会熄灭，这就表示医护人员已经接收请求，请病人耐心等待。

经联调后，数据记录清晰，系统响应及时，测试结果符合设计指标要求。

5 结论

作为一个面对医疗市场的产品，该系统特有的无线呼叫将大大简化系统的安装过程，全新的智能化设计理念将带来更好更强的医疗服务[6]。该系统在解决病人与医护人员之间的信息沟通中起到重要作用，各类医疗机构需求量很大，有广泛的市场前景。

[1] 吴彬. 医院呼叫系统的总体设计与电路优化[J]. 医学导刊, 2012(2): 93-94.

[2] IEEEStd.802.15.4—2003. Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for low Rate Wireless Personal Area Networks (LR2WPANs) [S].

[3] 许洋, 唐中文, 张迅. 浅析医用无线呼叫系统[J]. 甘肃科技纵横, 2014, 38(3): 24-25.

[4] 包立, 王晓荣, 程明霄. 基于C8051F120的可燃气体无线报警系统设计[J]. 化工自动化及仪表, 2010, 37 (12) :66-69.

[5] Dong Wen-hui, Wang Li, Yu Guang-zhi, et al. Design of Wireless Automatic Fire Alarm System[J]. Procedia Engineering, 2016(10): 20-23.

[6] 杨进宝. 无线医疗呼叫系统设计[D]. 长沙: 湖南师范大学, 2009.

责任编校：孙 林

Design of Intelligent Medical Calling System Based on Wireless Communication Module

LI Hong-bo1, TANG Yun-he2, WANG Xu-kang1

（1. No 53 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Tianjin 300300, China; 2. Dagang No.1 Middle School in Binhai New Area, Tianjin 300200, China）

To solve the management and monitoring problem between the patient and the medical staff, to avoid the disputes between doctors and patients, and to optimize the distribution malpractice of the widely used wired calling system, intelligent medical calling system is designed based on wireless communication module. The system is composed of wireless adapter, display terminal, wireless repeater and ward calling node. This intelligent medical calling system has the advantages of clear display, convenient communication, clear monitoring recording of the terminal, and convenience for the patient and the medical staff. And a monitoring system is easy to be established by using this intelligent medical calling system. The method mentioned above promotes the development of the medical calling system in the direction of network and intelligence. And there is wide application prospect in the community hospitals and community-based care.

intelligent medical calling system; wireless adapter; USB to serial port; wireless repeater

10.15916/j.issn1674-3261.2017.04.005

TN92

A

1674-3261(2017)04-0230-04

2016-05-07

李洪博(1982-)，男，辽宁北镇人，工程师，硕士。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/21.1314.T.20170711.0846.001.html