基於nRF401晶元的醫院無線護理呼叫系統的設計

1 引言
    伴隨著醫療體制改革的不斷深化和醫療事業的飛速發展，越來越多的人們需要迅捷、方便地得到醫院的各種各樣的醫療服務，這必將使醫院之間的競爭日趨激烈。這使得衡量一個醫院的綜合水平高低，不再僅局限於軟、硬體的建設上，更要比服務。臨床呼叫求助裝置是傳送臨床信息的重要手段，關係病員安危，傳統的有線呼叫系統歷來受到各大醫院的普遍重視。如果採用無線傳輸，會節約布線和改造線路的資金，為醫院節約成本，並且及時、準確、可靠、簡便可行，比目前的同類產品更能受到醫院及病人的認可，有更強的競爭力，能大量推廣。
    傳統的病房呼叫系統採用的都是有線傳輸，很難做到隱蔽和美觀，安裝維護都不方便，抗電氣干擾能力也不強。為克服以上不足，如果採用一種無線的病房呼叫監護系統，在醫院的病房裡每個床位邊都裝有一個呼叫按鈕，當病人需要幫助時，按下呼叫按鈕，護士辦公室里呼叫顯示板上相應房間號的指示燈點亮並進行語音提示，同時在走廊里安裝一個電子顯示牌，使值班護土能及時的知道哪個房間的病人需要幫助或需要進行搶救。
    本文使用專用射頻模塊nRF401，並使用單片機控制，其原理簡單，使用的晶元集成度高，性能穩定，並且造價相對也低。每個分機有惟一的地址碼，主機對呼入的號碼進行存儲，確保呼叫信息不丟失，終端數碼管循環顯示呼叫地址及聲音報警，系統穩定可靠，具有很好的應用前景。

2 系統硬體設計
     系統分為呼叫分機和接收主機。分機用來進行呼叫，編碼使用單片機完成，分機的核心電路即是單片機與射頻晶元的連接電路。主機負責接收分機發來的信號，並進行解碼、顯示和報警，主機上設有鍵盤用於翻查和刪除。
2.1 系統原理框圖
系統的原理框圖如圖1，圖2所示。
 
2.2 nRF401介紹
2.2.1 nRF401主要性能
    nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單晶元RF收發機，專為在433 MHz ISM (工業、科研和醫療)頻段工作而設計。nRF401使用具有較強抗干擾能力的FSK頻率(Frequency Shift Keying)調製方式，改善了雜訊環境下的系統性能，採用DSS+PLL頻率合成技術，工作頻率穩定可靠。與ASK幅移鍵控(Amplitude Shift Keying)和OOK開關鍵(On Off Keying)方式相比，這種方式的通信範圍更廣，特別是在附近有類似設備工作的場合。其主要特性如下：
(1)工作頻率為國際通用的數傳頻段；
(2)FSK 調製，抗干擾能力強.特別適合工業控制場合；
(3)採用PLL頻率合成技術，頻率穩定性極好；
(4)靈敏度高，達到-105 dBm(nRF401)；
(5)功耗小。接收狀態250 mA，待機狀態僅為8 A；
(6)最大發射功率達+10 dBm；
(7)低工作電壓(2.7 V)，可滿足低功耗設備的要求；
(8)具有多個頻道，可方便地切換工作頻率；
(9)工作速率最高可達20 kb／s(RF401)；
(10)僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調試；
(11)因採用了低發射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠可達1000 m(與具體使用環境及元件參數有關)。

2.2.2 nRF401引腳介紹
nRF401的引腳如圖3所示。
 
CS：頻道選擇，CS=0 選擇工作頻道1，即433.92 MHz；CS=1選擇工作頻道2(即434.33 MHz)。連接AT89C51的P2.5腳；
Dout：數據輸出，連接AT89C51串口RXD；
Din：數據輸入，連接AT89C51串口TXD；
PWR-UP：節能控制，PWR-UP=1正常工作狀態，
PWR-UP=0 低功耗節能狀態。連接AT89C51的P2.6腳；
TXEN：發射接收控制，TXEN=1時，nRF401為發射狀態。TXEN=0時，nRF401為接收狀態，連接AT89C51的P2.7腳；
ANT1和ANT2是接收時信號的輸入，以及發送時功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的，在天線端推薦的負載阻抗是400Ω。
2.2.3 nRF401的典型連接
     nRF401的典型應用連接圖如圖4所示，可直接用於單片機或計算機RS 232串口非同步傳輸。
  
    從圖4中可以看到，外圍元件很少，包括一隻基準晶振及幾隻無源器件，沒有調試部件，天線用微帶天線直接設計在線路板上，這給研製及生產帶來了極大的方便。圖中L1電感需要用高Q值高精度的貼片繞線高頻電感(Q>45)，晶振X1需要用高穩定晶振，電容元件應選用高穩定貼片元件如NPO高穩定電容，以確保其性能。

2.3 分機電路設計
    分機使用攜帶型設計，採用電池供電，在選用元件時候需要考慮到功耗和體積，還需要考慮晶元工作的最低電壓的問題。所以單片機選用AT89C2051，他只有20個引腳，結構精簡、體積也小、功耗低，而且在3 V的電壓下就能穩定工作。他具有AT89C51的內核，指令系統也一樣。分機上所需要的I/O口很少，使用AT89C2051完全能滿足要求。
    分機採用8位撥碼開關手動定位來確定分機的地址，若需要將分機移至別的病床，則只需要改變撥盤開關的狀態，即可改變分機的號碼。如果需要增加床位，則只需要增加分機的數量，每個分機在軟硬體上完全一樣，只需要在撥盤開關上設置地址碼即可，無需在主機上做任何改變，十分方便。nRF401有休眠(Standby)、接收(RX)和發射(TX)3種工作狀態，由nRF401的引腳功能可知，這3種狀態間的切換由PWR-UP，TXEN 的狀態可以確定，DIN，DOUT是串列通信口，分別與單片機的串列通信口相連，CS腳則選擇工作頻率。nRF401與AT89C2051的連接電路如圖5所示。
 
    在本設計中，使用nRF401與單片機進行串口通信，只需要將他的數據輸入口(DIN)和數據輸出口(DOUT)分別與單片機的TXD與RXD連接即可。

2.4 主機電路設計
2.4.1 信號收發處理部分
    主機採用AT89C51作為控制晶元，工作時也要進行狀態切換、頻率選擇和串列通信設置，實現的方法與分機的一樣，nRF401與AT89C51的連接電路和分機一樣。
2.4.2 顯示電路的設計
    顯示電路主要包括大型LED數碼管BSI20-1(共陽極，數字凈高12 cm)和高電壓大電流驅動器ULN2003，大型LED數碼管的每段是由多個LED發光二極體串並聯而成的，因此導通電流大、導通壓降高。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列電路，他具有7個獨立的反相驅動器，每個驅動器的輸出灌電流可達500 mA，導通時輸出電壓約1 V，截止時輸出電壓可達50 V。ULN2003的1～7腳為信號輸入腳，依次對應的輸出端為16～10腳，8腳為接地端。當驅動電源電壓為+12 V時，若要求數碼管每段導通電流為40 mA，則每段的限流電阻為50Ω。則一塊ULN2003恰好驅動一個LED數碼管的7段。大數碼管採用共陽極接法，低電平有效。鎖存器輸出的電平經NPN三極體9014反相后，再由ULN2003放大后推動大數碼管顯示。
2.4.3 報警電路的設計
    主機在接受到呼叫后，首先進行報警告知值班人員。報警電路可以用單片機P2.0輸出1 kHz和500 Hz的音頻信號經放大后驅動揚聲器，做報警信號，要求1 kHz信號響100 ms，再500 Hz信號響200 ms，交替進行。這裡使用音頻放大器LM386，他的工作電壓為4～ 12 V，輸出功率最大可達1 W，輸入阻抗為50 kHz。

3 系統軟體設計
3.1 分機系統軟體流程圖
    單片機掃描發射鍵，如果掃描到有發射鍵按下，系統便掃描撥碼開關的狀態以確定地址碼，然後將射頻晶元置於發射狀態並且開始地址碼傳送，地址碼傳送完畢后再將射頻晶元回到接收狀態等待確認信息，確認信息收到後點亮確認燈1s，然後休眠狀態等待，如此循環工作。其流程如圖6所示。
3.2 主機系統軟體流程圖
    當主機接收到呼叫信號后，便進行存儲，然後調用顯示子程序進行循環顯示，然後給呼叫器發送出回應信號，發送完畢后，射頻晶元再次置於接受狀態等待信息，其主流程圖如圖7所示。
 

4 結語
    該系統能實現醫院呼叫所需的一般功能。由於每次呼叫的時間在數十毫秒級別，很難遇到兩個呼叫器在這麼短的時間內同時發出呼叫信息，本設計的硬體電路結構十分簡潔、成本低廉。硬體和軟體設計方案已通過實驗檢驗，系統各項參數穩定、功耗低，對在多發單收情況下，系統運行穩定，通信誤碼率低，設計需要的各項功能都能實現。