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设计开发与实施无线呼叫电话
S.Aswin, N. Gopalakrishnan, Member, IEEE, S.Jeyender, R.Gnana Prasanna and S. Pravin Kumar*
摘要：在这个项目中，设计并开发了一个能提供连续检测患者状况的护士电话系统。该系统有助于在没有看护的情况下协助患有卧床不起的患者和其他医疗人员进行沟通。传统的护士呼叫系统采用安装在医院病床附近的按钮开关，便于患者提醒集中基站的护士或其他保健人员以寻求关注。当呼叫发起和接听时，警报信号分别自动打开和关闭。采用基于无线电频率的无线通信来解决初始安装过程中的需要布线的要求。设计的系统通过语音消息和短消息服务（SMS）消息向基站提供患者的唯一标识号。呼叫可以通过手动或自动模式启动。在自动化模式下，持续监测心电图，脉搏率，氧饱和度，呼吸频率等生理参数，在任何紧急情况下，自动启动语音留言和短信。
关键词：警报设备，健康监控系统，护士呼叫系统，外设接口控制器，GSM调制解调器
一．引言
常规护士呼叫系统采用位于病人床位的按钮。当患者按压时，它会通过发出可听到的声音或轻微的闪烁来警告中心护士站。红色和绿色指示灯与开关一起驻扎在病房之外，以取消已经注册的呼叫。每当红灯亮起时，表示患者需要注意。 另一方面，绿灯点亮时表示呼叫已被护士确认。这可以防止同一名患者被多名护士照顾[1]。这些警报信号仅在护士参加呼叫时才被关闭。 如果护士出现延迟，则由患者登记的呼叫的闪光率和蜂鸣声随着预编程而增加。另外还提供了双向语音通信，但是只有护士可以发起语音通信。布置图清楚地概括了病房，床数与颜色编码灯一起安置在护士站。 此外，护理主任办公室还提供了一个中央监测小组。
由于上述系统设置是有线通信，安装成本和时间成为关注的因素[2]。另外，在护士站放置的布局变得不能迅速地显示呼叫被初始化的病房/床号，从而延迟响应时间。然而，提出和设计的系统有助于通过提供安装在基站的LCD模块显示患者的精确信息来减少医生、护士和医务人员的过境时间。调用初始化时，通过扬声器也会发出相同的数据。 此外，这些文本细节作为短信服务发送到医务人员的手机。 因此，即使护士在中心站不可用，可以从SMS获得所需的患者的细节信息。这个功能特别有助于运用在紧急情况下，在医院时间是一个十分重要的因素。
由于与基站的单个中央单元的通信是以无线方式完成的，因此不需要在基地驻扎较大的布局图。 此外，该系统可以设计成在患者随着他/她的医院识别号码变得异常时，自动传输患者的生物参数，如ECG（心电图）。
二．方法
该系统由发射器和接收器模块，语音模块，LCD模块和GSM模块四个模块组成。
A.发射机和接收机模块
系统的这一部分频率为433.9MHz，通过将床附近可用的开关按压到中心站来传送病人发起的呼叫。 它由HT-12E编码器，HT-12D解码器，TWS BS3发射机和RWS 317-6接收机组成，如图1和图2所示。
1）编码器
编码器模块HT-12E（Holtek半导体）能够编码由N个地址位和12-N个数据位组成[3]，[4]。每当触发信号TE（传输使能）变为低电平，编程的地址位都将通过RF发射器与数据位一起传输，并且随着触发引脚保持低电平，周期继续。可编程地址和数据引脚可以设置为两个逻辑电平“一”或“零”之一。因此，每当患者按下开关时，相应的数据线（ADx）变低，其状态被传送到PIC微控制器。当不使用触发器时，编码器在待机模式下操作时消耗的电流较小[5]。
2）发射器和接收器模块
发射机和接收机模块的工作频率约为433.9Mhz，采用的调制方式是幅移键控，当数据输入端发生“1”时，发送载波信号，“0”号无载波信号发送， 在输入。数据以8千比特每秒的速率传输，并以相同的速率接收。 护士呼叫台的发射机/接收机单元像普通发射机接收机一样工作，其框图如图1和图2所示。在这项研究中，在接收端有一个LED指示当传输端由患者按下/释放对应的按钮时，解码输出线的状态。如果发射机上的开关处于OFF状态，则在接收机部分的相应解码输出线上将有 5v。 相反，如果开关处于ON状态，则在与开关对应的解码输出线路中，输出为0v。另外，TC4051多路复用器/解复用器被用于将呼叫寄存器切换状态和病人的生物信号（数字形式）相耦合。最初，PIC中采用的内置模数转换器将应用的输入生物信号转换为通过RF模块传输的等效数字值。传输范围延伸到大约一公里。
图1 发射器 图2 接收器
3）解码器
HT-12D（Holtek Semiconductor）系列解码器接收由编码器发送的串行数据，并且前N位的码周期被设置为地址，最后的12-N位被设置为数据，其中N是地址数位。只要DIN（Data IN）引脚上的信号激活振荡器[5]，上述操作即可完成。为了消除不匹配的代码或错误，解码器将连续三次检查接收到的地址。如果接收到的地址代码全部与解码器本地地址的内容匹配，那么12-N位的数据被解码以激活输出引脚，VT（有效传输）引脚设置为高电平，表示有效的传输。这将持续进行，除非地址代码不正确或没有收到信号[6]。因此，每当患者（例如患者1）触发按钮时，解码器的相应输出线（线1）变低。此外，接收器模块可以耦合到PIC，读取与模拟波形一起传输的数字值，并使用DAC0808重新生成生物信号。然后由TC4051解复用器来区分患者细节与他/她的生物信号。
B.外设接口控制器
PIC代表外设接口控制器。 它可作为28/40/44引脚封装。 PIC 16F8A77A是40引脚微控制器。 具有精简指令集计算机架构（RISC）的器件具有10位8通道模数转换器，模拟比较器模块，同步串行端口（SSP），I2C（主/从）和通用同步异步收发器（USART） 具有9位地址检测功能。所采用的CMOS技术允许宽工作电压范围（2.0-5.5V），并且便于低功耗。该设备有五个I / O端口指定为A，B，C，D和E，其中端口B，C和D为8位双向，而端口A为6位双向，端口E为三个引脚，可配置为输入或 输出[7-9]。在该系统中，端口C配置为输入，端口B和D由软件代码配置为输出。
C.语音模块
APR9600设备提供真正的单芯片语音记录，非易失性存储和播放功能，持续40至60秒。该设备支持多个消息的随机和顺序访问。该设备非常适用于便携式录音机。 APR9600设备以自然形式再现语音信号。 它消除了对编码和压缩的需要，这通常引入失真。 APR9600由差分麦克风放大器组成，包括集成AGC，抗混叠滤波器，根据所选择的采样频率自动调整其响应，从而满足香农采样定理。语音模块框图如图3所示。在完成抗混叠滤波之后，信号准备好被记录到存储器阵列中。该存储通过采样和保持电路和模拟写/读电路的组合来完成。 这些电路由内部振荡器或外部时钟源提供时钟。当需要播放时，从存储器检索先前存储的记录，低通滤波和放大。通过将扬声器连接到SP 和SP引脚可以听到信号。该设备支持由MSEL1，MSEL2和/ M8_ OPTION引脚定义的五种消息管理模式，具有2,4或8固定持续时间消息的随机存取模式磁带模式，具有多个可变持续时间消息。模式不能混合。 每个消息段的长度是可用的总记录长度（由所选采样率定义）除以所启用的段的总数。
图3 语音模块流程图
1）录音
当实际录音开始时，设备会在扬声器输出端发出一声蜂鸣声，以指示已开始录音。只要消息引脚保持低电平，就会继续记录。记录期间相同信息触发引脚的上升沿停止记录操作（用单个哔音表示）。如果消息触发引脚保持低电平超出最大分配持续时间的结束，则无论消息触发引脚的状态如何，录制将自动停止（用两声哔哔声指示）。芯片然后进入低功耗模式，直到消息触发引脚返回高电平。 信息触发引脚返回高电平后，芯片进入待机模式。相同消息触发引脚上的任何随后的从高到低的转换将从相同消息段的开始发起记录。
2）播放
要播放时，必须将/ CE设置为低电平以使设备和/ RE必须设置为高电平才能禁用录像和启用播放。 通过在消息触发引脚上应用高到低边来启动播放。回放将持续到消息结束。如果在播放过程中同一讯息触发引脚发生高电平到低电平边沿，则当前信息的播放将立即停止。如果不同的信息在播放期间触发引脚脉冲，则当前信息的播放立即停止（由一个蜂鸣声指示），并且开始播放新的信息段。 因此，在记录模式中，在随后的消息引脚中记录在每个患者对应的扬声器上要公布的信息。PIC的端口线D0-D7连接到这些消息输入线，使得只要在耦合到i / p端口C的解码器输出引脚之一发生低电平，相应的端口D引脚由软件编程就变低 码。因此，它触发所需的消息被播放，例如当M2获得与病人2相对应的触发消息时，在扬声器中被播放。
D.液晶模块
该系统中使用的16位字符times;2行字母数字点阵LCD模块（JHD162A LCD）[10]具有8位数据线，具有三个背光显色选项，其框图如图4所示。PIC的端口B引脚配置为输出线，并被引导到LCD的数据输入线。只要读使能引脚为低指令寄存器，并且存储的命令字用于显示，清除和光标移位以及显示数据RAM（DDRAM）和字符发生器RAM（CGRAM）的地址信息作为命令并放置 在数据总线上。每当RS引脚变为高电平时，选择数据寄存器，数据总线上的信息是要显示在LCD上的各个字符的ASCII值。
所有命令和数据字（要显示的文本）都是从PIC16F877A写入的。此引脚的LCD连接到PIC的RD（读）引脚。每当R / W（读/写）引脚变为高电平时，从LCD显示RAM读取信息，当它变低时，信息被写入LCD模块。该引脚连接到PIC的写（引脚）。 使能引脚用于使能LCD，并连接到PIC的CS芯片选择引脚。 通过使用电位计将LCD的输入电压改变为LCD的Vo引脚来调节LCD的对比度。对应于每个患者的文本数据已经被预先编程成PIC。它具有8Kx14位闪存程序存储器，368字节的RAM，只要配置的输入端口的引脚变为低电平，相应的文本消息将被串行发送到LCD。
图4 液晶显示器
E. GSM
GSM（全球移动通信系统）是移动通信广泛接受的标准，流程如图5所示。 这些网络的工作范围为900至1800 MHz频段。传输的数据速率约为每秒270千比特。用户识别模块（SIM）是GSM的关键组件之一，其中用户信息存储在卡中。在打开手机时检索信息。通过PIC的串行端口线TX＆RX将与个人患者相对应的文本的预编程数据发送到GSM调制解调器。
图5 GSM逻辑流程图
MAX232驱动器/转换器用于将来自PIC的TTL信号转换为PC信号，并将电路设备的操作限制在5V。MAX220-MAX249系列线路驱动器/接收器适用于所有通信接口，如便携式计算机，低功耗调制解调器，多点RS-232网络，特别是不能使用plusmn;12V的应用。对应于每个患者的文本数据已经被预编程到PIC中。端口C由软件代码配置为输入端口。所以每当端口C中的一个引脚变为低电平时，说端口C0，与患者1相对应的文本通过串行端口被发送到GSM调制解调器，其设置如图5所示。如果端口C1变低，则通过串行端口发送对应于病人2的文本信息，等等[11] [12]。各种模块PIC端口分配的完整框图如图6所示。
三．结果与讨论
根据微控制器的原理图D端口用于语音模块，用于LCD显示的端口B和用于与GSM接口的串行端口线以及PIC IC的编程相应地进行。使用C语言完成编程。 一旦设置了系统，只要病人（比如病人1号）触发按钮，解码器的相应输出线（第1行）就会变低，这样使PIC的输入端口线变低。设计开发的发射机和接收机电路如图7和图8所示。
因此，与患者编号1相对应的文本信息经由串行端口发送到GSM调制解调器以及写在软件代码中的AT命令，也将相同的信息放置在LCD的数据总线上，以通过输出端口B显示 如图9所示。此外，对应的输出端口线D0变低，从而触发语音模块进行对应于患者编号1的消息1的通知。
因此，当触发特定开关编号时，并且当对特定开关编号进行触发时，初始化对应于该特定编号的呼叫（即患者识别号码）。它提供了有效的人力计划，只需将护士提供给需要护理的病床，从而减少护士与床位的比例。进一步在这样高的频率范围内运行，发射机向系统提供的传输距离约为500米。因此，通过这种广泛的传输方式，系统可以为医院环境中的整个关键护理区域提供服务，从而降低了在传统系统中使用数百米导体电缆的成本。
图6完整框图
图7. 开发的变送器模块 图9. 液晶模组
图8. 开发接收模块 图10.开发了GSM模块
在调用初始化时，所有上述模块在2-3秒内被触发，因此传输延迟变得可以忽略不计。由于通信是无线通信的，因此设计相当紧凑，不易受干扰。设计开发的GSM模型如图10所示。 设计护士电话套件带外壳的前后视图如图11所示。
图11. （a）前视图（b）护士呼叫站套件的后视图
四．结论
因为上述护士电话系统可以提醒基站通话初始化。它有助于及时管理护士服务重症监护病人因此有效的人资源管理。同时降低护士比例，也具有医院管理经济功能规划的良好资质。由于无线通信，最终产品设计相当紧凑，从而占用更少的空间，而不会影响当前的安装结构和功能计划。该系统也取代了需要非常高的安装成本的常规开关系统。该应用设计可以通过采用十进制二进制转换器，两个发射器和接收器模块进一步增强，然后在将其提供给PIC之前耦合解码器的输出。 因此，该系统可以响应高达2 ^ 8 = 256名患者
五，未来与展望
自动化模式护士呼叫系统正在开发中。 当生理参数达到异常值时，
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