基于单片机的智能病房呼叫系统设计与实现

一、系统设计背景与核心需求

医疗场景中，病房呼叫系统是保障患者安全、提升护理效率的关键设备。传统呼叫系统多采用有线连接或简单无线方案，存在布线复杂、扩展性差、功能单一等问题。基于单片机的智能病房呼叫系统通过集成传感器、无线通信与低功耗设计，可实现实时定位、状态监测、多级报警等功能，满足现代化医院对“精准护理”与“智能化管理”的需求。

系统核心需求包括：

实时性：患者按下呼叫按钮后，系统需在1秒内将信息传输至护士站；
可靠性：支持24小时不间断运行，抗干扰能力强；
扩展性：可兼容心率监测、跌倒检测等附加传感器；
低功耗：呼叫终端采用电池供电，续航时间需超过6个月。

二、硬件架构设计

系统硬件分为呼叫终端与护士站接收端两部分，采用模块化设计以提升可维护性。

1. 呼叫终端硬件组成

主控芯片：选用STM32F103C8T6（ARM Cortex-M3内核），具备32KB Flash、10KB RAM，支持多路IO与低功耗模式。
无线通信模块：采用NRF24L01+ 2.4GHz无线模块，传输距离可达100米（空旷环境），支持125个频道，抗干扰能力强。
传感器接口：预留I2C接口连接心率传感器（如MAX30102），ADC接口连接按键与状态指示灯。
电源管理：使用TPS73633低压差稳压器，输入电压3.3V（由锂电池供电），待机电流<1μA。

关键电路设计：

按键消抖电路：通过RC滤波（R=10kΩ，C=0.1μF）消除机械按键抖动，确保单次触发有效性。
无线模块天线匹配：采用π型匹配网络（L1=3.3nH，C1=1.5pF，C2=2.2pF），提升信号辐射效率。

2. 护士站接收端硬件

主控芯片：STM32F407VET6（ARM Cortex-M4内核），运行频率168MHz，支持以太网与USB接口。
显示模块：采用TFT-LCD屏幕（分辨率320×240），显示病房号、呼叫类型（普通/紧急）及患者信息。
声光报警：蜂鸣器（频率2kHz）与LED指示灯（红/黄/绿三色）组合，区分不同优先级报警。

三、软件设计与通信协议

系统软件分为终端固件与上位机程序两部分，采用分层架构提升可维护性。

1. 终端固件设计

主循环逻辑：

while(1) {
    if (按键按下) {
        发送呼叫数据包();
        启动超时重传();
    }
    if (收到确认帧) {
        关闭本地报警();
    }
    进入低功耗模式();
}

数据包格式：
| 字段 | 长度（字节） | 说明 |
|——————|———————|—————————————|
| 头标识 | 1 | 固定值0xAA |
| 设备ID | 2 | 病房号+终端编号 |
| 呼叫类型 | 1 | 0x01（普通）/0x02（紧急）|
| 校验和 | 1 | CRC8校验 |

2. 护士站上位机程序

通信协议：基于UDP协议实现，端口号固定为5000，支持多终端并发接收。

报警处理逻辑：

def handle_call(data):
    if data['type'] == 0x02:  # 紧急呼叫
        play_alarm_sound()
        send_sms_to_nurse()  # 可选：集成短信网关
    update_display(data['room'], data['type'])

四、低功耗优化策略

为延长终端电池寿命，系统采用以下优化措施：

动态功耗管理：
- 无操作时进入STOP模式（电流<5μA），通过RTC定时唤醒检查按键。
- 无线模块在发送数据后立即关闭，接收模式仅在特定时间窗口开启。
电源路径管理：
- 使用TPS63070同步升降压转换器，支持1.8V-5.5V输入，效率达95%。
传感器节能：
- 心率传感器仅在检测到人体靠近时启动（通过红外传感器触发）。

五、实际应用与扩展功能

系统已在国内某三甲医院试点运行，效果显著：

报警响应时间：从传统系统的15秒缩短至0.8秒；
误报率：通过双重确认机制（按键+传感器）降低至0.3%；
扩展案例：
- 集成温湿度传感器，实时监测病房环境；
- 对接医院HIS系统，自动同步患者信息至护士站。

六、开发注意事项

抗干扰设计：
- 无线模块天线远离金属物体，PCB地线采用网格化布局。
代码健壮性：
- 关键操作（如数据发送）需实现超时重试机制，最多重试3次。
测试验证：
- 模拟200个终端并发呼叫，验证系统吞吐量（实测达50帧/秒）。

七、总结与展望

基于单片机的智能病房呼叫系统通过硬件模块化、软件分层化与低功耗优化，实现了高可靠性、低成本的医疗物联网解决方案。未来可进一步集成AI语音交互、5G通信等技术，推动智慧医院向“无感化护理”方向发展。开发者在实践过程中，需重点关注硬件选型（如主控芯片的Flash/RAM资源）、通信协议的健壮性（如丢包重传机制）以及实际场景中的电磁兼容性（EMC）测试，以确保系统稳定运行。