引言

現(xiàn)有的病房呼叫系統(tǒng)一般采用的是有線傳輸技術(shù)，在病房裝修前就以鋪好傳輸線路，優(yōu)點(diǎn)是傳輸穩(wěn)定，但同時(shí)也存在著一個(gè)致命的缺陷，那就是要更換病房位置必須要重新進(jìn)行布線，在安裝繁瑣的同時(shí)成本也很高，而本文著重研究的是以電力線為傳輸媒介來進(jìn)行信號間傳輸?shù)牟》亢艚邢到y(tǒng)，可利用現(xiàn)有的電力線資源作為通信信道，避免了傳統(tǒng)繁瑣的布線過程。同時(shí)相對于ZigBee無線通信技術(shù)，在同樣方便快捷的基礎(chǔ)上，電力載波的擴(kuò)展性更好，可靠性更高，抗干擾能力較好，同時(shí)由于電力線布于墻內(nèi)，硬件相對更安全，不易損壞。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

病房呼叫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由病區(qū)護(hù)士站的主機(jī)控制系統(tǒng)和分別設(shè)置在病房床頭、病房衛(wèi)生間的呼叫器組成。主機(jī)和呼叫器利用現(xiàn)有的電力線資源來進(jìn)行信息間的傳輸。

電力載波通訊即PLC，是英文Power line Communication的簡稱。電力載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。PLC的最大特點(diǎn)：不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，無疑成為了解決病房呼叫系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罴逊桨钢?。同時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)僅在醫(yī)院這個(gè)范圍中傳輸，束縛PLC應(yīng)用的5大困擾將在很大程度上減弱，PLC調(diào)制解調(diào)模塊的成本也遠(yuǎn)低于無線模塊。目前，世界上最大的有線網(wǎng)絡(luò)是電力線網(wǎng)絡(luò)，利用電力線網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)勢：

(1)充分利用電力線資源，進(jìn)行資源整合和再利用，符合現(xiàn)代發(fā)展的趨勢；

(2)通過電力載波技術(shù)，利用現(xiàn)有的電力線資源，無需施工布線，并且安裝方便，對于已經(jīng)裝修完畢而沒有預(yù)留布線位置的醫(yī)院是最佳的選擇；

(3)相對無線技術(shù)，電力線載波通信技術(shù)不會存在由環(huán)境復(fù)雜所帶來的通信間干擾問題；

(4)各呼叫器獨(dú)立工作，故障便于檢查維修，保證了系統(tǒng)更長的使用壽命。

病房尋呼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件框架

呼叫器

電力線載波信號傳輸，其基本要求是在電力線傳輸信號的過程中確保信號傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和安全性。

信號在電力線上傳輸時(shí)，將交流電壓產(chǎn)生脈沖所帶來的干擾排除即可獲得穩(wěn)定的信號傳輸，可以通過交流電壓波形過零點(diǎn)短時(shí)間內(nèi)傳輸信號的方式進(jìn)行信號的傳輸來排除干擾，但是這對信號的耦合方式要求較高。本文利用SH99F01芯片內(nèi)部集成高速增強(qiáng)型兼容8051單片機(jī)和高性能電力線載波通信模塊(Powerline Transceiver)來進(jìn)行信息間的傳輸，本電力線通信模塊具有模擬電路載波頻率9kHz~525kHz可調(diào)，100μVp-p的高靈敏度，結(jié)合波形零點(diǎn)傳輸技術(shù)，采用先進(jìn)的向前糾錯編碼算法，最大程度提高載波物理層的通信能力，確保了信息傳遞的安全性。采用芯片內(nèi)部兼容8051單片機(jī)作為控制核心，大量使用貼片式外圍器件，使得呼叫器具有功耗低，體積小(煙盒大小)，只要有插座即可隨便移動，改號方便，對于病房加減床、換房間等，呼叫器都可根據(jù)需要進(jìn)行增減或移動，解決了因更換病床位置所帶來的重新布線困擾。電力載波模塊電路圖如圖2所示。

主機(jī)系統(tǒng)

病房呼叫系統(tǒng)中主機(jī)以宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2AD芯片作為控制核心，結(jié)合電力載波模塊來進(jìn)行各個(gè)系統(tǒng)間的通信，對呼叫信息的采集和控制報(bào)警器等工作。STC12C5A60S2AD一款高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，執(zhí)行速度卻是傳統(tǒng)的8051的8~12倍，同時(shí)具有62K的用戶應(yīng)用程序空間和片上集成1280字節(jié)的RAM。貼片型STC12C5A60S2AD不僅體積小，功耗低，同時(shí)價(jià)格低廉，運(yùn)行速度快，完全滿足病房呼叫系統(tǒng)所需處理信息能力的需求。

內(nèi)存卡采用的是金士頓型號為Micro SD/

TF(8G)，8.8MB/s的數(shù)據(jù)讀寫速度，6.5MB/s的數(shù)據(jù)寫入速度，8G大小的存儲容量，完全能滿足系統(tǒng)對呼叫報(bào)警信息的存儲需求。

GSM模塊是可用單片機(jī)控制的以TC35I為核心的GSM系統(tǒng)終端，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語言、短信傳輸?shù)裙δ?。在有?bào)警呼叫而護(hù)士站無人時(shí)，可以通過呼叫設(shè)定好的手機(jī)號碼來進(jìn)行報(bào)警，能有效地避免突發(fā)事件因護(hù)士的疏忽而出現(xiàn)長時(shí)間無人處理的情況。

彩屏界面顯示使用的是WLTI-07Q70液晶顯示屏，7.0寸800x480點(diǎn)陣彩色LED，4頁顯存，在大方、美觀的同時(shí)使頁面的更換更加流暢。

界面顯示面作為顯示端，主機(jī)控制系統(tǒng)可以通過查看顯示面了解病房呼叫的情況，查看當(dāng)前時(shí)間。如圖3所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

本軟件是由呼叫器系統(tǒng)、主機(jī)控制系統(tǒng)、GSM手機(jī)呼叫系統(tǒng)構(gòu)成。其中以主機(jī)控制系統(tǒng)為核心。多個(gè)呼叫器通過電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)間交互傳輸，主機(jī)系統(tǒng)對采集分機(jī)的狀態(tài)信息進(jìn)行分析、處理、顯示等工作。工作原理圖如圖4所示。

主機(jī)程序設(shè)計(jì)

多個(gè)呼叫器同時(shí)使用一條電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)多個(gè)呼叫器同時(shí)連接主機(jī)時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)可能會造成數(shù)據(jù)間的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的錯誤或丟失。為了確保數(shù)據(jù)的安全性，我們采用隨機(jī)退避機(jī)制算法(在呼叫器程序設(shè)計(jì)中進(jìn)行介紹)來確保數(shù)據(jù)傳輸間的安全性。

主機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用C語言進(jìn)行開發(fā)，內(nèi)嵌自定義的傳輸協(xié)議，自行編寫人機(jī)交互系統(tǒng)，在確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的前提下，精簡代碼，設(shè)定算法，防止報(bào)警信號的丟失和錯誤處理，提高了系統(tǒng)的安全性。

當(dāng)啟動主機(jī)設(shè)備以后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，要求用戶對系統(tǒng)進(jìn)行一些初始化設(shè)置或者選擇默認(rèn)設(shè)置，設(shè)置完成后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)，控制彩屏顯示當(dāng)前時(shí)間和對分機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)果分析。當(dāng)采集到分機(jī)報(bào)警信息后，驅(qū)動語言報(bào)警信號進(jìn)行報(bào)警，并在彩屏上顯示分機(jī)位置(病房號)，向SD卡中寫入報(bào)警信息，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間到且無人處理時(shí)，主機(jī)驅(qū)動GPRS模塊呼叫設(shè)定好的手機(jī)來進(jìn)行報(bào)警。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中隨時(shí)可以按下MENU鍵查看報(bào)警歷史信息、矯正時(shí)間、設(shè)定GPRS報(bào)警參數(shù)等等。程序流程圖如圖5所示。

呼叫器軟件設(shè)計(jì)

呼叫器功能主要包括實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)初始化設(shè)置，處理報(bào)警信息任務(wù)、運(yùn)行調(diào)度系統(tǒng)運(yùn)用任務(wù)，PLT電力線載波通訊任務(wù)，響應(yīng)外部中斷任務(wù)等。

當(dāng)呼叫器啟動后，對系統(tǒng)進(jìn)行整體的初始化，循環(huán)執(zhí)行對報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)采集到報(bào)警信息時(shí)，采用隨機(jī)退避機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸完成后接收主機(jī)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證確保報(bào)警數(shù)據(jù)的發(fā)送成功。

隨機(jī)退避機(jī)制算法

當(dāng)一個(gè)呼叫器要發(fā)送報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，先監(jiān)聽電力線信道的忙/閑狀態(tài)，如果信道忙，它將推遲直到信道連續(xù)處于閑狀態(tài)達(dá)到DIFS時(shí)間。為了避免發(fā)送沖突，這時(shí)該分機(jī)在發(fā)送前必須經(jīng)過一個(gè)附加的退避周期，將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的退避時(shí)間(Backoff Time)，并存入退避計(jì)數(shù)器，如果退避計(jì)數(shù)器中已經(jīng)包含有一個(gè)非0的值，那么就不再執(zhí)行產(chǎn)生隨機(jī)退避時(shí)間的過程。

呼叫器執(zhí)行退避過程時(shí)，偵聽信道的狀態(tài)，如果信道閑，則將退避時(shí)間計(jì)數(shù)器減1；如果信道忙，則退避過程將被推遲，退避時(shí)間計(jì)數(shù)器被凍結(jié)(即不再遞減)，直到偵聽到信道處于連續(xù)空閑狀態(tài)達(dá)到DIFS時(shí)間，退避過程重新被激活，繼續(xù)遞減。當(dāng)退避計(jì)數(shù)器遞減到0時(shí)，此呼叫器就可以執(zhí)行發(fā)送。

當(dāng)多個(gè)分機(jī)同競爭信道時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過一個(gè)隨機(jī)時(shí)間的退避過程，才能占有信道，這樣就大大減少了發(fā)送沖突發(fā)生的概率。另外，通過采用退避過程中的凍結(jié)機(jī)制，使得被推遲的分機(jī)在下一輪競爭中無需再次產(chǎn)生一個(gè)新的隨機(jī)退避時(shí)間，只需繼續(xù)進(jìn)行計(jì)數(shù)器遞減，那么，等待時(shí)間長的分機(jī)優(yōu)先級就高于新加入的分機(jī)，就可能優(yōu)先得到信道，從而維護(hù)了競爭分機(jī)之間一定的公平性。

在主機(jī)接收到分機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)時(shí)立即把接收到的數(shù)據(jù)返回，分機(jī)再把接收數(shù)據(jù)和自己發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確保數(shù)據(jù)的發(fā)送成功。從而大大提高了數(shù)據(jù)發(fā)送的安全性。程序流程圖如圖6所示。

結(jié)束語

隨著人民生活水平的提高和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對自身的身體狀況會越來越關(guān)注，傳統(tǒng)式的病房呼叫系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代醫(yī)院的需求，基于電力線載波技術(shù)的病房呼叫系統(tǒng)作為醫(yī)院呼叫系統(tǒng)未來發(fā)展的主要趨勢之一，具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場前景，為了方便大眾，造福社會，新型的病房呼叫系統(tǒng)值得我們進(jìn)行大量的探索和深入的研究。

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