[电力载波通信病房呼叫系统设计]病房无线呼叫系统

　　引言 　　现有的病房呼叫系统一般采用的是有线传输技术，在病房装修前就以铺好传输线路，优点是传输稳定，但同时也存在着一个致命的缺陷，那就是要更换病房位置必须要重新进行布线，在安装繁琐的同时成本也很高，而本文着重研究的是以电力线为传输媒介来进行信号间传输的病房呼叫系统，可利用现有的电力线资源作为通信信道，避免了传统繁琐的布线过程。同时相对于ZigBee无线通信技术，在同样方便快捷的基础上，电力载波的扩展性更好，可靠性更高，抗干扰能力较好，同时由于电力线布于墙内，硬件相对更安全，不易损坏。
　　系统总体结构
　　系统网络组成
　　病房呼叫系统网络结构是由病区护士站的主机控制系统和分别设置在病房床头、病房卫生间的呼叫器组成。主机和呼叫器利用现有的电力线资源来进行信息间的传输。
　　电力载波通讯即PLC，是英文Power line Communication的简称。电力载波是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。PLC的最大特点：不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递，无疑成为了解决病房呼叫系统数据传输的最佳方案之一。同时因为数据仅在医院这个范围中传输，束缚PLC应用的5大困扰将在很大程度上减弱，PLC调制解调模块的成本也远低于无线模块。目前，世界上最大的有线网络是电力线网络，利用电力线网络有以下优势：
　　(1)充分利用电力线资源，进行资源整合和再利用，符合现代发展的趋势；
　　(2)通过电力载波技术，利用现有的电力线资源，无需施工布线，并且安装方便，对于已经装修完毕而没有预留布线位置的医院是最佳的选择；
　　(3)相对无线技术，电力线载波通信技术不会存在由环境复杂所带来的通信间干扰问题；
　　(4)各呼叫器独立工作，故障便于检查维修，保证了系统更长的使用寿命。
　　病房寻呼系统的结构图如图1所示。
　　系统硬件框架
　　呼叫器
　　电力线载波信号传输，其基本要求是在电力线传输信号的过程中确保信号传输的准确性和安全性。
　　信号在电力线上传输时，将交流电压产生脉冲所带来的干扰排除即可获得稳定的信号传输，可以通过交流电压波形过零点短时间内传输信号的方式进行信号的传输来排除干扰，但是这对信号的耦合方式要求较高。本文利用SH99F01芯片内部集成高速增强型兼容8051单片机和高性能电力线载波通信模块(Powerline Transceiver)来进行信息间的传输，本电力线通信模块具有模拟电路载波频率9kHz~525kHz可调，100μVp-p的高灵敏度，结合波形零点传输技术，采用先进的向前纠错编码算法，最大程度提高载波物理层的通信能力，确保了信息传递的安全性。采用芯片内部兼容8051单片机作为控制核心，大量使用贴片式外围器件，使得呼叫器具有功耗低，体积小(烟盒大小)，只要有插座即可随便移动，改号方便，对于病房加减床、换房间等，呼叫器都可根据需要进行增减或移动，解决了因更换病床位置所带来的重新布线困扰。电力载波模块电路图如图2所示。
　　主机系统
　　病房呼叫系统中主机以宏晶科技生产的STC12C5A60S2AD芯片作为控制核心，结合电力载波模块来进行各个系统间的通信，对呼叫信息的采集和控制报警器等工作。STC12C5A60S2AD一款高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，执行速度却是传统的8051的8~12倍，同时具有62K的用户应用程序空间和片上集成1280字节的RAM。贴片型STC12C5A60S2AD不仅体积小，功耗低，同时价格低廉，运行速度快，完全满足病房呼叫系统所需处理信息能力的需求。
　　内存卡采用的是金士顿型号为Micro SD/
　　TF(8G)，8.8MB/s的数据读写速度，6.5MB/s的数据写入速度，8G大小的存储容量，完全能满足系统对呼叫报警信息的存储需求。
　　GSM模块是可用单片机控制的以TC35I为核心的GSM系统终端，支持数据、语言、短信传输等功能。在有报警呼叫而护士站无人时，可以通过呼叫设定好的手机号码来进行报警，能有效地避免突发事件因护士的疏忽而出现长时间无人处理的情况。
　　彩屏界面显示使用的是WLTI-07Q70液晶显示屏，7.0寸800x480点阵彩色LED，4页显存，在大方、美观的同时使页面的更换更加流畅。
　　界面显示面作为显示端，主机控制系统可以通过查看显示面了解病房呼叫的情况，查看当前时间。如图3所示。
　　系统软件设计
　　软件系统框架设计
　　本软件是由呼叫器系统、主机控制系统、GSM手机呼叫系统构成。其中以主机控制系统为核心。多个呼叫器通过电力线进行数据间交互传输，主机系统对采集分机的状态信息进行分析、处理、显示等工作。工作原理图如图4所示。
　　主机程序设计
　　多个呼叫器同时使用一条电力线进行数据的传输，当多个呼叫器同时连接主机时，发送数据可能会造成数据间的干扰，从而导致数据的错误或丢失。为了确保数据的安全性，我们采用随机退避机制算法(在呼叫器程序设计中进行介绍)来确保数据传输间的安全性。
　　主机控制系统程序设计采用C语言进行开发，内嵌自定义的传输协议，自行编写人机交互系统，在确保系统运行稳定性的前提下，精简代码，设定算法，防止报警信号的丢失和错误处理，提高了系统的安全性。
　　当启动主机设备以后，系统进行初始化，要求用户对系统进行一些初始化设置或者选择默认设置，设置完成后，系统进入正常工作状态，控制彩屏显示当前时间和对分机传送来的数据进行结果分析。当采集到分机报警信息后，驱动语言报警信号进行报警，并在彩屏上显示分机位置(病房号)，向SD卡中写入报警信息，当到达设定时间到且无人处理时，主机驱动GPRS模块呼叫设定好的手机来进行报警。在系统运行过程中随时可以按下MENU键查看报警历史信息、矫正时间、设定GPRS报警参数等等。程序流程图如图5所示。
　　呼叫器软件设计
　　呼叫器功能主要包括实现整体系统初始化设置，处理报警信息任务、运行调度系统运用任务，PLT电力线载波通讯任务，响应外部中断任务等。
　　当呼叫器启动后，对系统进行整体的初始化，循环执行对报警状态进行监控，当采集到报警信息时，采用随机退避机制进行数据传输，传输完成后接收主机返回的数据进行验证确保报警数据的发送成功。
　　随机退避机制算法
　　当一个呼叫器要发送报警数据时，先监听电力线信道的忙/闲状态，如果信道忙，它将推迟直到信道连续处于闲状态达到DIFS时间。为了避免发送冲突，这时该分机在发送前必须经过一个附加的退避周期，将产生一个随机的退避时间(Backoff Time)，并存入退避计数器，如果退避计数器中已经包含有一个非0的值，那么就不再执行产生随机退避时间的过程。
　　呼叫器执行退避过程时，侦听信道的状态，如果信道闲，则将退避时间计数器减1；如果信道忙，则退避过程将被推迟，退避时间计数器被冻结(即不再递减)，直到侦听到信道处于连续空闲状态达到DIFS时间，退避过程重新被激活，继续递减。当退避计数器递减到0时，此呼叫器就可以执行发送。
　　当多个分机同竞争信道时，每个节点都经过一个随机时间的退避过程，才能占有信道，这样就大大减少了发送冲突发生的概率。另外，通过采用退避过程中的冻结机制，使得被推迟的分机在下一轮竞争中无需再次产生一个新的随机退避时间，只需继续进行计数器递减，那么，等待时间长的分机优先级就高于新加入的分机，就可能优先得到信道，从而维护了竞争分机之间一定的公平性。
　　在主机接收到分机发送来的数据时立即把接收到的数据返回，分机再把接收数据和自己发送的数据进行对比，确保数据的发送成功。从而大大提高了数据发送的安全性。程序流程图如图6所示。
　　结束语
　　随着人民生活水平的提高和社会经济的发展，人们对自身的身体状况会越来越关注，传统式的病房呼叫系统已经不能满足现代医院的需求，基于电力线载波技术的病房呼叫系统作为医院呼叫系统未来发展的主要趋势之一，具有广阔的发展前景和巨大的市场前景，为了方便大众，造福社会，新型的病房呼叫系统值得我们进行大量的探索和深入的研究。
　　参考文献：
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