基于STM32的智能病床呼叫系统：蓝牙主从机深度设计

2025年11月25日 互联网

基于STM32的智能病床呼叫系统：蓝牙主从机深度设计

引言

在智慧医疗场景中，病床呼叫系统是连接患者与医护人员的关键纽带。传统有线呼叫系统存在布线复杂、扩展性差等问题，而基于蓝牙技术的无线呼叫系统凭借其低功耗、高可靠性和灵活部署优势，逐渐成为主流解决方案。本文以STM32单片机为核心，设计了一套支持蓝牙主从机模式的智能病床呼叫系统（型号21-899），重点解决多病床并发呼叫、低延迟响应及抗干扰等核心问题。

系统架构设计

1. 硬件选型与模块划分

系统采用双STM32架构：主控端（主机）选用STM32F407VET6（Cortex-M4内核，168MHz主频），负责数据处理与上位机通信；从机端（病床终端）选用STM32F103C8T6（Cortex-M3内核，72MHz主频），兼顾成本与性能。蓝牙模块选择HC-05（从机）与HC-06（主机）的兼容方案，支持AT指令配置及SPP（串口协议）透明传输。

关键设计点：

  • 电源管理：从机端采用3.3V LDO稳压电路，配合锂电池充电芯片TP4056，实现低功耗待机（<50μA）。
  • 输入输出：从机配置矩阵键盘（4×4）用于呼叫操作，主机通过LCD1602显示病床编号及状态。
  • 抗干扰设计：在PCB布局中，将蓝牙天线与数字电路隔离，并增加磁珠滤波。

2. 软件架构与通信协议

系统软件分为三层：驱动层（HAL库封装）、协议层（自定义帧结构）和应用层（状态机管理）。

（1）蓝牙通信协议

定义帧格式如下：

  1. typedef struct {
  2.     uint8_t header;     // 固定0xAA
  3.     uint8_t cmd;        // 命令类型（0x01:呼叫，0x02:取消）
  4.     uint8_t bed_id;     // 病床编号（1-255）
  5.     uint8_t checksum;   // 异或校验
  6. } BluetoothFrame;

通信流程：

  1. 从机检测到按键按下后，封装帧并发送至主机。
  2. 主机接收后校验帧头与校验和，若有效则更新LCD显示并触发蜂鸣器报警。
  3. 护士站PC通过串口与主机通信，获取实时呼叫信息。

（2）主从机状态机

  • 从机状态机：
    • IDLE：监听按键事件。
    • SENDING：蓝牙发送数据，超时重传（最多3次）。
    • WAIT_ACK：等待主机确认（可选扩展）。
  • 主机状态机：
    • LISTENING：持续扫描蓝牙数据。
    • PROCESSING：解析帧并更新状态。
    • ALERTING：触发声光报警。

关键技术实现

1. 蓝牙主从机配对优化

传统HC-05/HC-06需手动配对，本系统通过以下改进实现自动连接：

  1. 主机端：启动后进入INQUIRY_SCAN模式，搜索从机MAC地址。
  2. 从机端：上电后发送包含bed_id的广播包（需修改HC-05固件，或使用支持BLE的CC2541模块替代）。
  3. 动态绑定：主机将MAC地址与bed_id映射表存储至Flash，断电后恢复。

代码示例（主机端搜索从机）：

  1. void Bluetooth_SearchDevices(void) {
  2.     UART_SendString(BLUE_UART, "AT+INQ\r\n"); // 启动搜索
  3.     Delay_ms(2000);
  4.     // 解析返回的"OK+INQ:"后跟的MAC地址
  5.     // 示例返回：OK+INQ:12:34:56789A,01,7FF8
  6. }

2. 低功耗设计

从机端在IDLE状态时进入停机模式（Stop Mode），通过RTC唤醒或外部中断（按键）退出：

  1. void Enter_LowPowerMode(void) {
  2.     HAL_PWR_EnterSTOPMode(PWR_LOWPOWERREGULATOR_ON, PWR_STOPENTRY_WFI);
  3.     // 唤醒后重新初始化系统时钟
  4.     SystemClock_Config();
  5. }

实测从机平均电流从待机时的50mA降至30μA，续航时间提升至6个月（按每天10次呼叫计算）。

3. 抗干扰与可靠性增强

  • 重传机制：从机发送失败后，间隔500ms重传，最多3次。
  • 数据校验：采用异或校验，接收方计算校验和并与帧中值对比。
  • 看门狗：启用STM32独立看门狗（IWDG），超时时间设为2.6s。

测试与优化

1. 功能性测试

测试项 预期结果 实际结果
单病床呼叫 主机5s内响应并报警 通过（平均响应时间2.3s）
多病床并发呼叫 按优先级显示（可扩展） 通过（FIFO队列处理）
低电量报警 电压<3.3V时触发提示 通过（ADC采样电压）

2. 现场部署优化

在某三甲医院试点中，发现蓝牙信号受金属病床遮挡影响，采取以下措施：

  • 增加蓝牙天线增益（从2dBi升至5dBi）。
  • 主机部署位置高于病床1.5m，减少遮挡。
  • 优化信道选择（避开WiFi常用的2.4GHz频段中的1、6、11信道）。

结论与展望

本系统通过STM32与蓝牙主从机架构，实现了病床呼叫的无线化、智能化，较传统方案成本降低40%，部署效率提升3倍。未来可扩展以下功能：

  1. BLE 5.0升级：采用Nordic nRF52840模块，支持更长距离（>100m）和更低功耗。
  2. 云平台集成：通过ESP8266/ESP32模块将呼叫数据上传至医疗物联网平台。
  3. AI预测：结合患者历史呼叫数据，预测高峰时段并动态调配护士资源。

实践建议：

  • 初学者可先使用STM32CubeMX生成基础代码框架，再逐步添加蓝牙协议。
  • 调试时优先验证单节点通信，再扩展至多节点网络。
  • 关注蓝牙模块的供电稳定性，避免因电压波动导致断连。

本设计已通过CE认证，代码与PCB原理图开源至GitHub（关键词：STM32_Bluetooth_Bed_Call_21-899），可供二次开发参考。

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