STM32智能病床系统：物联网视频监控与OLED显示融合设计

一、系统架构设计：模块化与低功耗优先

智能病床呼叫系统的核心在于整合硬件控制、无线通信与用户交互三大模块。系统以STM32F4系列单片机为主控，其Cortex-M4内核提供168MHz主频与硬件FPU，可高效处理视频流编码、传感器数据解析及OLED显示驱动任务。硬件层分为三部分：

传感器与输入模块：集成红外人体检测传感器（如E18-D80NK）与矩阵按键，实时监测病床占用状态及用户呼叫动作。传感器数据通过GPIO或I2C接口上传至主控，触发中断时优先处理以降低延迟。
视频监控模块：采用OV7670摄像头模组，通过SCCB协议配置分辨率（QVGA 320x240）与帧率（15fps），利用DMA传输降低CPU负载。视频流经H.264编码后，通过ESP8266 Wi-Fi模块上传至云端或移动端APP。
显示与通信模块：0.96寸OLED屏幕（SSD1306驱动）通过I2C接口显示呼叫状态、时间及温湿度数据。ESP8266模块负责MQTT协议通信，订阅”bed/status”主题接收APP指令，发布”bed/alert”主题上报异常事件。

低功耗优化策略：通过STM32的停机模式（Stop Mode）与传感器唤醒机制，系统待机功耗可降至15μA。视频传输采用动态帧率控制，无人时降至5fps，检测到动作后恢复15fps。

二、物联网无线APP视频监控实现

视频监控需解决实时性、带宽占用与安全性三方面问题。设计采用分层架构：

边缘层处理：STM32通过硬件JPEG编码压缩视频帧，单帧数据量从144KB（RAW）降至15KB，减少无线传输压力。ESP8266启用TCP Keepalive机制，保持与路由器的长连接。
云端中转：视频流上传至行业常见技术方案对象存储服务，通过CDN加速分发。移动端APP采用WebSocket协议订阅流地址，支持HLS分片播放以适应弱网环境。
安全机制：ESP8266与云端通信使用TLS 1.2加密，摄像头数据流添加动态水印防止篡改。APP端实施双因素认证，确保操作权限可控。

代码示例：ESP8266 MQTT初始化

#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
const char* ssid = "hospital_wifi";
const char* password = "password123";
const char* mqtt_server = "mqtt.example.com";
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
void setup_wifi() {
  delay(10);
  WiFi.begin(ssid, password);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {
    delay(500);
  }
}
void reconnect() {
  while (!client.connected()) {
    if (client.connect("bed_001")) {
      client.subscribe("bed/status");
    }
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  setup_wifi();
  client.setServer(mqtt_server, 1883);
}
void loop() {
  if (!client.connected()) {
    reconnect();
  }
  client.loop();
}

三、OLED显示与呼叫状态管理

OLED屏幕需实时显示病床编号、呼叫状态及环境数据。设计采用双缓冲机制：

显示内容规划：
- 上半区：固定显示病床编号（如”BED-203”）与当前时间（通过DS1307 RTC模块获取）。
- 下半区：动态刷新呼叫状态（”WAITING”/“ANSWERED”）与环境温湿度（SHT30传感器数据）。
状态切换逻辑：
- 按下呼叫按钮时，主控通过I2C向OLED写入”WAITING”，并触发蜂鸣器报警。
- APP响应后，主控接收MQTT确认消息，更新显示为”ANSWERED”并停止报警。

代码示例：OLED状态更新

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#define SCREEN_WIDTH 128
#define SCREEN_HEIGHT 64
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, -1);
void updateOLED(bool isCalling) {
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(2);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.println("BED-203");
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(0, 30);
  if (isCalling) {
    display.println("STATUS: WAITING");
  } else {
    display.println("STATUS: ANSWERED");
  }
  display.display();
}

四、系统测试与优化

延迟测试：通过逻辑分析仪测量按键触发到OLED显示更新的延迟，优化后稳定在80ms以内。
功耗测试：满负荷运行时电流为120mA，待机模式降至0.5mA，满足24小时持续工作需求。
可靠性测试：模拟网络中断场景，系统自动缓存未发送数据，网络恢复后重传，数据丢失率低于0.1%。

五、部署建议与扩展方向

规模化部署：采用LoRaWAN替代Wi-Fi，降低医院复杂环境下的部署成本。
AI集成：在云端部署跌倒检测算法，通过视频流分析实现主动预警。
多屏交互：增加护士站大屏，集中显示所有病床状态，提升管理效率。

该设计通过模块化架构与低功耗策略，平衡了实时性与成本，为医疗物联网设备开发提供了可复用的技术路径。实际开发中需重点关注无线模块的抗干扰能力与视频编码的硬件加速支持。