李洪博，湯云鶴，王旭康

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基于無線通信模塊的智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)的設(shè)計

李洪博1，湯云鶴2，王旭康1

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十三研究所，天津300300；2.天津市濱海新區(qū)大港第一中學(xué)，天津300200）

為解決病人陪護(hù)與醫(yī)護(hù)人員之間的管理監(jiān)控漏洞，避免造成醫(yī)患糾紛，優(yōu)化目前廣泛使用的有線呼叫系統(tǒng)布局弊端，進(jìn)行了基于無線通信模塊的智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)組成單元包括無線適配器、顯示終端、無線中繼器和病房呼叫節(jié)點(diǎn)。該智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)具有顯示清晰、通信方便、終端監(jiān)控記錄清晰、病人與醫(yī)護(hù)人員使用方便快捷，也便于組成監(jiān)控系統(tǒng)，推動了醫(yī)療呼叫系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，在社區(qū)醫(yī)院及社區(qū)養(yǎng)老的醫(yī)療中具有廣泛的應(yīng)用前景。

智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)；無線適配器；USB轉(zhuǎn)串口；無線中繼器

目前，國內(nèi)外廣泛使用的病房呼叫系統(tǒng)主要有單總線的呼叫系統(tǒng)方案、多總線的呼叫方案、基于CAN總線的有線呼叫方案[1]，各方案均采用有線方式進(jìn)行通信，存在布線復(fù)雜、布線費(fèi)用高、老化漏電、可靠性差、維修性差、實(shí)時性差、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控差等諸多弊端[2]?；跓o線通信模塊的智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)可解決目前使用的有線呼叫系統(tǒng)的諸多弊端，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理，使病人得到方便快捷的醫(yī)療服務(wù)。該系統(tǒng)故障率低、性能穩(wěn)定、可靠性高、可維修性高、實(shí)時性高，在終端PC機(jī)設(shè)置記錄病人呼叫與醫(yī)護(hù)人員處理情況的數(shù)據(jù)庫，以更快速、更便捷、更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)解決目前的醫(yī)患矛盾，為推動無線醫(yī)療呼叫系統(tǒng)的發(fā)展提供很好的參考設(shè)計方案。

1 總體方案

基于無線通信模塊的智能醫(yī)療呼叫系統(tǒng)的設(shè)計包含3層網(wǎng)絡(luò)。第一層網(wǎng)絡(luò)為上位機(jī)和適配器，第二層網(wǎng)絡(luò)為顯示終端，第三層網(wǎng)絡(luò)為中繼器和呼叫節(jié)點(diǎn)。設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。上位機(jī)與適配器之間通過串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，適配器與顯示終端之間通過無線通信方式進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與顯示終端的數(shù)據(jù)交換，顯示終端通過中繼器與各個分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，此時3層網(wǎng)絡(luò)基本搭建完成。在軟件程序編寫的時候，可以將中繼器和各分節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，使整個系統(tǒng)呈樹形網(wǎng)絡(luò)分布，底層節(jié)點(diǎn)可以通過此網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)一層一層地傳送給顯示終端和上位機(jī)中進(jìn)行顯示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

組成單元包括適配器、顯示終端、中繼器和呼叫節(jié)點(diǎn)。適配器由無線通信電路和USB串口通信電路等組成，主要完成上位機(jī)與顯示終端之間的數(shù)據(jù)通信；顯示終端由液晶顯示電路、SD卡存儲電路和無線通信電路等組成，主要完成病人信息的存儲與顯示功能；中繼器主要由無線通信電路和電源電路組成，用來完成呼叫節(jié)點(diǎn)與顯示終端之間的數(shù)據(jù)通信；呼叫節(jié)點(diǎn)由按鍵電路和無線通信電路等組成，主要完成將病人請求數(shù)據(jù)發(fā)送給顯示終端的功能。軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)了Si4432無線通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸、TFT-LCD液晶屏信息顯示和SD卡數(shù)據(jù)存儲等。

2 硬件設(shè)計

2.1 顯示終端設(shè)計

顯示終端需要實(shí)現(xiàn)液晶顯示、無線通信和SD卡信息存儲等功能，需要處理的數(shù)據(jù)量很大，采用基于ARM Cortex-M3核心32位微控制器STM32F103ZET6。STM32F103ZET6最小系統(tǒng)設(shè)計主要由STM32F103ZET6芯片電路、復(fù)位電路、外部高速時鐘電路、外部低速時鐘電路和JTAG仿真電路5部分電路設(shè)計組成，其設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)電路

無線通信模塊采用Si4432無線通信模塊，Si4432輸出功率可達(dá)+20 dBm，接收靈敏度達(dá)到-121 dBm，通訊距離在100 m以上，并可以穿過5堵墻。該模塊具有對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖FIFO、接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)、空閑信道評估(CCA)、喚醒定時器、低電壓檢測、溫度傳感器、8位AD轉(zhuǎn)換器和通用輸入/輸出口等功能的硬件支持[2]。Si4432電路原理圖如圖3所示。

圖3 Si4432接口電路

按下呼叫按鍵，顯示終端可以顯示病人信息，需要對病人信息進(jìn)行存儲，當(dāng)上位機(jī)通過軟件輸入病人信息時，這些信息可以通過適配器上的無線模塊發(fā)送給顯示終端，并在顯示終端中存儲。本設(shè)計選用SD卡來存儲病人信息。

其他輔助電路包括液晶顯示電路、實(shí)時時鐘電路、電源電路、聲光報警電路、SD卡接口電路等，顯示終端電路圖如圖4所示。

2.2 無線適配器的設(shè)計

上位機(jī)與適配器之間通過USB串口通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，適配器與顯示終端之間通過無線通信方式進(jìn)行通信。適配器主要實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與顯示終端之間的通訊功能，處理數(shù)據(jù)較少，采用STC公司8位微控制器STC89C52，由于適配器需要與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，且上位機(jī)與適配器通信距離并不遠(yuǎn)，采用串口通信方式，使用USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340設(shè)計USB轉(zhuǎn)串口電路。USB轉(zhuǎn)串口電路原理圖如圖5所示。適配器的整體電路原理圖如圖6所示。

圖4 顯示終端電路

圖5 USB轉(zhuǎn)串口電路

圖6 無線適配器電路

2.3 無線中繼器設(shè)計

中繼器的設(shè)計主要包括STC89C52的最小系統(tǒng)電路、無線通信電路、電源電路等，中繼器是為了保證良好的無線數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計的，無線通信電路選用Si4432作為無線通信模塊，處理器選用STC89C52單片機(jī)就可以很好地處理無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)接與轉(zhuǎn)發(fā)。中繼器的整體電路原理圖如圖7所示。

圖7 無線中繼器電路

2.4 呼叫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計

按鍵呼叫電路中選用4個直插式輕觸開關(guān)，分別代表詢問、拔針、換藥和緊急情況，當(dāng)病人需要醫(yī)護(hù)人員的幫助時可以將對應(yīng)按鍵按下，此時會有對應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，提示病人請求信息已經(jīng)發(fā)出，當(dāng)指示燈閃爍時，代表請求信息已經(jīng)被接受[3]。呼叫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計主要包括STC89C52的最小系統(tǒng)電路、無線通信電路、按鍵呼叫電路、電源電路等。呼叫節(jié)點(diǎn)整體電路原理圖如圖8所示。

圖8 呼叫節(jié)點(diǎn)電路

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)加電后，進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，初始化結(jié)束后，醫(yī)護(hù)人員可以通過上位機(jī)輸入病人信息，并通過串口通信方式將信息發(fā)送給適配器，適配器通過無線模塊將病人信息發(fā)送給顯示終端，顯示終端接受并存儲病人信息；當(dāng)呼叫節(jié)點(diǎn)按鍵被按下時，呼叫信號通過中繼器轉(zhuǎn)發(fā)給顯示終端，此時顯示終端就可以將對應(yīng)病人信息通過顯示屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)主流程圖如圖9所示。

3.2 顯示終端程序設(shè)計

顯示終端軟件部分包括無線通信、液晶顯示和SD卡存儲，液晶顯示部分采用TFT-LCD液晶屏進(jìn)行顯示，該屏采用NT35510進(jìn)行驅(qū)動，主要利用IIC總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)。SD卡的存儲使用SPI總線協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。顯示終端流程圖見圖10所示。

3.3 SI4432無線模塊程序設(shè)計

在程序上將Si4432配置成全雙工模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的先接受再發(fā)送的過程，Si4432數(shù)據(jù)傳輸方式主要有3種，F(xiàn)IFO模式、直接模式和PN9模式。在FIFO模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。對FIFO的操作是通過SPI對特定寄存器的連續(xù)讀或者寫進(jìn)行的[4]。Si4432無線模塊發(fā)送程序流程圖如圖11所示。

圖9 系統(tǒng)主程序

圖10 顯示終端流程圖

圖11 SI4432無線模塊發(fā)送程序

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)由PC機(jī)、適配器、顯示終端、中繼器和呼叫節(jié)點(diǎn)組成。采用優(yōu)化式調(diào)試方法，測試中以2個呼叫節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行測試[5]，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)實(shí)物圖

醫(yī)生辦公室中的PC機(jī)通過串口向適配器發(fā)送病人信息數(shù)據(jù)，適配器通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給護(hù)士辦公室中的顯示終端，顯示終端將該信息存儲；當(dāng)病房中的呼叫節(jié)點(diǎn)的按鍵被按下時，會將病床號和病人的請求信息打包發(fā)送出去，數(shù)據(jù)經(jīng)過中繼器傳送給顯示終端，此時顯示終端會在顯示屏上顯示出病床號、病人姓名、年齡和請求信息，并等待醫(yī)護(hù)人員確認(rèn)接受。

在顯示界面中，記錄了病人請求信息，方便醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行信息查詢，記錄的信息包括日期、時間、病床號和病人的請求。接受病人的請求，顯示屏上會彈出提示對話框，提示醫(yī)護(hù)人員接收成功。接收成功后顯示終端會發(fā)送一組數(shù)據(jù)給呼叫節(jié)點(diǎn)，此時呼叫節(jié)點(diǎn)的指示燈會熄滅，這就表示醫(yī)護(hù)人員已經(jīng)接收請求，請病人耐心等待。

經(jīng)聯(lián)調(diào)后，數(shù)據(jù)記錄清晰，系統(tǒng)響應(yīng)及時，測試結(jié)果符合設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

作為一個面對醫(yī)療市場的產(chǎn)品，該系統(tǒng)特有的無線呼叫將大大簡化系統(tǒng)的安裝過程，全新的智能化設(shè)計理念將帶來更好更強(qiáng)的醫(yī)療服務(wù)[6]。該系統(tǒng)在解決病人與醫(yī)護(hù)人員之間的信息溝通中起到重要作用，各類醫(yī)療機(jī)構(gòu)需求量很大，有廣泛的市場前景。

[1] 吳彬. 醫(yī)院呼叫系統(tǒng)的總體設(shè)計與電路優(yōu)化[J]. 醫(yī)學(xué)導(dǎo)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] 許洋, 唐中文, 張迅. 淺析醫(yī)用無線呼叫系統(tǒng)[J]. 甘肅科技縱橫, 2014, 38(3): 24-25.

[4] 包立, 王曉榮, 程明霄. 基于C8051F120的可燃?xì)怏w無線報警系統(tǒng)設(shè)計[J]. 化工自動化及儀表, 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] 楊進(jìn)寶. 無線醫(yī)療呼叫系統(tǒng)設(shè)計[D]. 長沙: 湖南師范大學(xué), 2009.

責(zé)任編校：孫 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，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師，碩士。

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