基于单片机的医院病床智能呼叫系统设计与实现

2025年12月29日 互联网

一、系统需求分析与技术选型

医院病床呼叫系统是医疗场景中保障患者与医护人员高效沟通的核心设备，其核心需求包括实时性、可靠性、低功耗及易扩展性。传统方案多采用有线连接或专用通信协议，存在布线复杂、成本高、维护困难等问题。基于单片机的无线呼叫系统通过低功耗无线通信技术（如LoRa、NRF24L01等），可显著降低部署成本，提升系统灵活性。

硬件选型关键点：

  1. 主控芯片：选择低功耗、高集成度的单片机（如STM32F103、ESP32等），需支持多任务处理、低功耗模式及硬件串口/SPI接口。
  2. 无线通信模块：根据传输距离和功耗需求选择模块。例如，NRF24L01适用于短距离（<100m）低功耗场景，LoRa模块适用于长距离（>1km）低速率场景。
  3. 输入设备：病床端采用按键矩阵或电容触摸按键，病房门口配置LCD显示屏或LED指示灯，护士站主机需支持多路信号接收与声光报警。
  4. 电源设计：病床端设备需支持电池供电（如CR2032纽扣电池），通过低功耗设计延长续航；护士站主机可接入市电，配备UPS备用电源。

二、系统架构设计

系统采用分层架构，分为病床端、病房中继端、护士站主机端三层，通过无线通信协议实现数据交互。

1. 病床端设计

病床端设备需实现患者呼叫、取消呼叫、紧急报警等功能。以STM32F103为例，硬件连接如下：

  1. // 示例：病床端按键检测与无线发送
  2. #include "stm32f10x.h"
  3. #include "nrf24l01.h"
  5. #define CALL_BUTTON PA0
  6. #define CANCEL_BUTTON PA1
  7. #define EMERGENCY_BUTTON PA2
  9. void Button_Init() {
  10.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
  11.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
  12.     GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = CALL_BUTTON | CANCEL_BUTTON | EMERGENCY_BUTTON;
  13.     GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入
  14.     GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
  15. }
  17. int main() {
  18.     Button_Init();
  19.     NRF24L01_Init(); // 初始化无线模块
  20.     while(1) {
  21.         if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, CALL_BUTTON) == 0) {
  22.             NRF24L01_Send("CALL:BED001"); // 发送病床呼叫信号
  23.             Delay_ms(500); // 防抖
  24.         }
  25.         // 类似处理取消和紧急按钮
  26.     }
  27. }

关键设计：

  • 按键防抖：通过软件延时或硬件滤波消除误触发。
  • 低功耗模式：无操作时单片机进入休眠模式，通过外部中断唤醒。
  • 数据编码：采用“类型+病床号”的简洁协议（如“CALL:BED001”），减少传输数据量。

2. 病房中继端设计

中继端负责接收病床端信号并转发至护士站主机，适用于大型病房或多楼层场景。中继端需支持多通道接收、数据缓存及重传机制。

  1. // 示例：中继端数据接收与转发
  2. void NRF24L01_ReceiveCallback(uint8_t* data) {
  3.     if(strstr((char*)data, "CALL:") != NULL) {
  4.         UART_Send(NURSE_STATION_UART, data); // 通过串口转发至护士站
  5.     }
  6.     // 类似处理其他指令
  7. }

优化点：

  • 信道扫描：动态切换空闲信道，避免干扰。
  • 数据校验：采用CRC校验确保数据完整性。

3. 护士站主机设计

护士站主机需支持多路信号接收、声光报警、呼叫记录存储及与医院HIS系统对接。硬件上可选用树莓派或STM32H7系列高性能单片机，软件上采用多线程架构：

  1. // 示例：护士站主机多线程架构
  2. #include <pthread.h>
  4. void* UART_Thread(void* arg) {
  5.     while(1) {
  6.         uint8_t data[32];
  7.         UART_Receive(data);
  8.         if(strstr((char*)data, "CALL:") != NULL) {
  9.             Trigger_Alarm(); // 触发声光报警
  10.             Log_CallRecord((char*)data); // 记录呼叫信息
  11.         }
  12.     }
  13. }
  15. int main() {
  16.     pthread_t uart_thread;
  17.     pthread_create(&uart_thread, NULL, UART_Thread, NULL);
  18.     // 启动其他线程（如HIS对接、UI更新）
  19.     while(1);
  20. }

功能扩展：

  • 优先级管理：紧急呼叫优先处理，普通呼叫按顺序响应。
  • 历史记录：通过SD卡或数据库存储呼叫记录，支持按时间、病床号查询。

三、通信协议设计

系统采用自定义轻量级协议，格式如下：

  1. [帧头(1B)][指令类型(1B)][病床号(4B)][状态(1B)][校验和(1B)]
  • 帧头：固定值0xAA，用于同步。
  • 指令类型：0x01（呼叫）、0x02（取消）、0x03（紧急）。
  • 病床号：ASCII码，如“BED001”。
  • 状态：0x00（正常）、0x01（已处理）。
  • 校验和：所有字节的异或值。

优势：

  • 兼容性：支持多种无线模块，无需修改上层逻辑。
  • 扩展性：可轻松添加新指令类型（如“护理完成”）。

四、性能优化与测试

  1. 功耗优化：

    • 病床端设备采用间歇工作模式，每5秒唤醒一次检测按键。
    • 无线模块在发送数据后立即进入低功耗模式。

  2. 抗干扰设计：

    • 跳频技术：在干扰环境下自动切换信道。
    • 数据重传：未收到确认时重发3次。

  3. 测试方法：

    • 实验室测试：模拟100个病床同时呼叫，验证系统吞吐量。
    • 现场测试：在实际病房中部署，连续运行72小时，记录丢包率。

五、总结与展望

基于单片机的医院病床呼叫系统通过模块化设计、低功耗优化及可靠的通信协议，实现了高性价比的医疗呼叫解决方案。未来可结合物联网技术，集成温湿度传感器、跌倒检测等功能，进一步提升医疗服务的智能化水平。开发者在实现时需重点关注硬件选型、协议设计及抗干扰能力，确保系统在复杂医疗环境中稳定运行。

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