（电路与系统专业论文）无线医疗呼叫系统的设计.pdf

无线医疗呼叫系统的设计 摘要 医疗呼叫系统是提高医院医疗服务水平和质量的一个重要组成部 分，医院医务人员与病人之间信息沟通是医疗呼叫系统的主要功能。无 线医疗呼叫系统可在不改变病房现有布局的情况下实现医务人员与病人 之间的交流。 论述了无线通信的相关理论，分析了影响无线通信距离的因素和防 数据碰撞技术。设计了无线医疗呼叫系统的硬件和软件，给出了一种实 现该系统的通信协议，包括主机与分机之间，主机与中继器之间，分机 与中继器之间相互通信的通信协议。无线通信链路采用无线接收、发送 芯片n r f 9 0 5 ，具有数据打包、c r c 校验、曼切斯特编码等功能，采取了 载波监听、出错自动重发等措施，保证了通信的低误码率和高可靠性。 通过增设中继器形成无线网络拓扑，延长通信距离。主机能批量受理呼 叫请求，具有数据暂存、语音循环播报、l e d 循环显示、l c d 翻页查询 呼叫信息、系统设备自动定时检测、故障设备列表提示等功能。 论文研究了医院病房的无线通信环境特点，采用微功率i s m 频段多 级中继的方法进行无线通信，既能减小对医疗设备的干扰，又能保证可 靠的通信距离。研究成果不仅适用于医院病房，稍加改进还可广泛应用 于无线安防、大型停车场管理、酒店客房呼叫、教学提问抢答等场合。 关键词：医疗呼叫；无线通信；通信协议；中继；单片机 中职教师在职硕士学位论文 a b s t r a c t m e d i c a lc a l ls y s t e mi su s e dt oi m p r o v et h eh e a l t hc a r ei nh o s p i t a la n d i t sm a i nf u n c t i o ni st ok e e pi nt o u c hb e t w e e nt h ed o c t o r so rt h en u r s e sa n dt h e p a t i e n t s t h e yc a nc o n t a c tw i t l le a c ho t h e rb yt h ew i r e l e s sm e d i c a lc a l l s y s t e m ( w m c s ) u n d e ru n c h a n g i n ge x i s t i n gw a r d sl a y o u t t h et h e o r yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sd e s c r i b e d t h es o u r c eo f a f f e c t i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei sa n a l y z e da n dt h et e c h n o l o g yo f a v o i d i n gd a t ac o l l i s i o ni sp r o p o s e d t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fw m c s i s d e s i g n e da n dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sp r o v i d e d ，w h i c hi sb e t w e e nt h e c a l l i n gh o s ta n dt h ec a l l i n ge x t e n s i o n ，b e t w e e nt h ec a l l i n gh o s ta n dt h er e l a y , b e t w e e nt h ec a l l i n ge x t e n s i o na n dt h er e l a y t h en r f 9 0 5i su s e di nt h e w i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o nl i n ks y s t e m ，w h i c hi sw i r e l e s sr e c e i v i n ga n d s e n d i n gc h i p ，a n di th a sm a n y f u n c t i o n ss u c ha sp a c k i n gc o m m u n i c a t i o nd a t a ， c r cc h e c k i n g ，m a n c h e s t e re n c o d i n g ，e t c i th a sh i g h l yr e l i a b i l i t ya n dl o w e r r o rr a t eb ys o m em e c h a n i s m ss u c ha sc a r r i e rs e n s ea n da u t o m a t i c a l l y r e t r a n s m i s s i o nw h i l ew r o n g t h ec o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei se x t e n d e di nt h i s s y s t e mb ya d d i n gt h er e p e a t e r s t h ec a l l i n gh o s th a sm a n yf u n c t i o n ss u c ha s a c c e p t i n g b a t c h r e q u i r e m e n t s ，t e m p o r a r i l ys a v i n gd a t a ，r e p e a t e d l y b r o a d c a s t i n gs p e e c h ，l e dd i s p l a y i n gc y c l i c a l l y ，q u e r y i n gc a l l i n gr e c o r di n l c d ，a u t o m a t i c a l l yd e t e c t i n gf a u l to fs y s t e m ，e t c i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni n 无线医疗呼叫系统的设计 h o s p i t a lw a r da r es t u d i e d t h em e t h o do fm i c r o - p o w e ra n dm u l t i l e v e lr e l a y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n si ni s m - b a n di su s e d ，w h i c hh a sm a n ym e r i t ss u c h a sr e d u c i n gt h ei n t e r f e r e n c ea g a i n s tm e d i c a le q u i p m e n t sa n de x t e n d i n gt h e d i s t a n c eo fr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l w i t hs e l f - h e a l i n g c a p a b i l i t y i sd e s i g n e d ，w h i c hi s p e r f e c t t h i sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mn o to n l yc a nb ea p p l i e dt oh o s p i t a lw a r d s ，b u ta l s oc a n b e u s e dt om a n yf i e l d ss u c ha s w i r e l e s ss e c u r i t y ，t h em a n a g e m e n to fl a r g ec a r p a r k ，h o t e lr o o m sc a l l i n g ，t e a c h i n gq u e s t i o n sa n da n s w e r ，e t c k e y w o r d s ：m e d i c a lc a l l ；w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o n ；c o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ；r e l a y ；m c u i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内秽卜，誉沦文不合任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式。标明。蠢人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：习燃，刁伽7 年月 “日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密嘭 作者签名： 导师签名： 无线医疗呼叫系统的设计 第1 章绪论 1 1 医疗呼叫系统的应用背景 医疗呼叫系统是一种为病房护士与病人提供远程对话的辅助工具， 它可以有效加强护士与病人之间的联系，提高医疗护理水平n 3 。伴随着医 疗体制改革的不断深化和医疗事业的飞速发展，越来越多的人们需要快 捷、方便地得到医院的各种各样的医疗服务，衡量一家医院的综合水平 高低，不再仅仅局限于软、硬件的水平高低，更要看服务水平的高低。 原有的医疗服务体系已不适应现代医疗需求，谋求适合现代医疗需求的客 户服务系统，是大多数医疗单位计划做或正在做的工作。如何利用先进的 信息技术为医院服务，更大程度的提高医院的服务质量及利润，是医院信 息化建设中的一个重要着眼点乜1 。 随着科技水平和医疗水平的进步，医院的服务理念也随之发生了相 应的改变，树立了以人为本，全心为患者服务意识。为了方便患者，提 高服务质量，医疗呼叫系统已经成为了国内外各类医院中广泛使用的一 种电子设备。病床呼叫系统发展到现在，已经不再是简单的医一患之间 沟通的工具，在实际应用当中既要兼顾到医院的整体设计，又要具有良 好的实用性、装饰性。医疗呼叫系统已经成为医院不可缺少的监护设备， 是各医院现代化的标志，它对于病人和医护人员之间的信息沟通起到了 至关重要的作用，能够有效地保证病人及时得到医护人员的看护和医治。 中职教师在职硕士学位论文 它能从根本上解决传统医一患之间所存在的一些服务纠纷等问题，可以 静化医院的工作环境，避免无谓的争执。既可以帮助病人快速的呼叫医 护人员，也可减轻医护人员巡视病房的辛劳，减轻医护人员值班的心理 压力，在无呼叫时放心的作好其他医护工作，专心致志的处理各个病房 的问题，从而提高了医护效率。因此，医疗呼叫系统具有广泛的社会意 义与重大的实用价值嘲。 1 2 医疗呼叫系统的研究现状 如图1 1 所示，目前使用的医疗呼叫系统一般由设在护士值班室的医 疗呼叫系统主机和安装在各病床的呼叫终端组成，主机通过有线或无线 的方式与各病房呼叫终端进行通信。系统一般具有声光提示功能，有的 系统有通话功能，使医护人员能够了解病人的医护请求h 1 。除人性化的辅 助功能外，研究重点主要集中在主机与病房呼叫终端之间通信的安全性、 可靠性、施工、系统构建、可扩展性等技术问题上进行研究。其通信方 式可归纳为：有线通信和无线通信两种方式。 图1 - 1 医疗呼叫系统示意图 1 2 1 有线通信医疗呼叫系统 有线通信医疗呼叫系统，主机与病房呼叫终端之间采用导线连接进 行通信和供电。2 0 世纪8 0 年代初，医疗呼叫一般都采用内部电话来构成 无线医疗呼叫系统的设计 呼叫系统，技术成熟，这种方式优点是：可进行双向呼叫和通话功能。 缺点是：每个病床需要连接一根电话线，布线施工麻烦，成本也高3 。随 着总线通信技术的发展和单片机应用的普及，采用c a n 总线、r s 4 8 5 总线、x y c n 总线、二线制或四线制脉冲编码通信总线、电力载波等 总线通信技术的医疗呼叫系统得到了广泛应用。 1 ) c a n 总线医疗呼叫系统 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线，也称控制器局部网，它是一种有 效支持分布控制或实时控制的串行通信网络，数据通信具有突出的可靠 性、实时性和灵活性3 。c a n 总线为多主工作方式，网络上任何一个节 点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，不分主从；采用 非破坏总线仲裁技术解决多个节点同时向总线发送信息出现的冲突问 题；其直接通信距离最远可达1 0 k m ( 速率5 k b p s 以下) ，总线上的节点数 可达1 1 0 个；通讯介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活；具 有c r c 校验和其它检测措施，数据出错几率小；具有较高的性能价格比， 结构简单。这些特点使c a n 总线能比较成功地应用于医疗呼叫系统，所 有通信节点可连接到总线上实现高可靠性的双向呼叫。此类医疗呼叫系 统一般采用四根导线构成，两根通信线两根供电总线，不容易实现语音 对话功能。 2 ) r s 4 8 5 总线医疗呼叫系统 r s 4 8 5 总线采用差分传输方式，通信可靠性较高，通信距离远( 可 达1 2 k m ) ，可支持多主工作方式，可连接上百个通信节点，较广泛地应 用于医疗呼叫系统。由于没有总线仲裁机制，需要较复杂的通信协议来 中职教师在职硕士学位论文 解决多个分机同时呼叫时的总线冲突问题，一般常采用主机轮询方式来 设计通信协议，当分机较多时轮询时间较长，存在响应延时现象。与c a n 总线一样，不容易实现语音对话功能口1 。 3 ) x y c n 总线医疗呼叫系统 x y c n 总线是由青岛鼎信通讯有限公司开发的带供电功能的设备 端串行双总线通信系统，它具有通讯总线供电、设备容量大、通讯速率 高、布线方便、抗干扰能力强、有较成熟的通信协议、能防止网络冲突 等特点随1 。采用x y 0 0 1 和x y l 0 0 通信芯片实现双向数据通信阳1 口 4 ) 二线制或四线制总线医疗呼叫系统 四线制总线一般由两根电源馈电线和一对信号线组成，电源馈电线 为所有呼叫分机供电，两根信号线承担双向数据通信和语音通话任务； 二线制总线则由两根导线实现供电和双向通信n 们。连接方式为一主多从 拓扑结构，主机和各分机有独立的地址。采用在一定电压范围内波动的 编码脉冲进行数据通信，为防止总线冲突，发送方在发送数据时拉低总 线电压到一定值来占有总线，其它分机则排队等候m 1 。此类总线是专为 医疗呼叫而设计的，能实现呼叫信息传送和语音通话功能，技术较成熟， 生产厂家众多，各类医院采用较多。 5 ) 电力载波医疗呼叫系统 电力载波通信是采用电力线传送数据或模拟信号的一种通信方式， 将设通载有信息的高频载波加载到电力线上，利用电力线进行信号传输 n 2 30 应用电力载波技术构成医疗呼叫系统，不需要另外铺信线路，能很 方便地解决呼叫分机的供电问题，模拟调制电力载波还可实现语音对话 无线医疗呼叫系统的设计 功能。由于电力线通信信道中存在具有很强的时变性和随机性的复杂噪 声干扰，阻抗变化大，信号衰减大，反射、驻波现象严重等不利因素， 其通信距离、通信可靠性、信号传输质量很难得到保证n 引。 总线式结构可使数量众多的病房呼叫终端可以挂接在总线上，减少 了连线数量、降低了布线难度。为了实现零布线施工，基于电力载波技 术的医疗呼叫系统是一个比较理想的选择方案，但受通信可靠性、通信 距离、安全性、生产成本等问题的困扰，目前还得不到普及。 1 2 2 无线通信医疗呼叫系统 无线通信医疗呼叫系统，主机与病房呼叫终端之间采用无线电波或 红外光等无线通信手段进行通信，呼叫终端一般采用电池供电。主机与 病房呼叫终端之间不需要布线，具有安装施工简单，能满足移动呼叫的 需求。其实现方案有以下几类： 1 ) i s m 频段单工无线通信医疗呼叫系统 主机和病房呼叫终端分别设有无线发送模块和无线接收模块，呼叫 终端有呼叫请求时通过无线发送模块发射高频无线编码信号，主机接收 到呼叫信号后通过数码管显示呼叫床号n 钔。此类呼叫器多采用价格低廉 的o o k ( 通断键控) 调制方式，声表面波谐振器射频发射电路和超再生 或超外差式接收电路，频率稳定性差、通信速率低、接收灵敏度低、抗 干扰能力差n 副。为了满足通信距离的要求，发射模块的发射功率多在 l o o m w 以上，对医疗设备有明显的干扰。由于采用单工通信方式，收发 双方不能进行应答式通信，一旦受到外界干扰或同时多个分机呼叫时的 同频干扰，通信链路很容易被破坏，漏呼概率较大，因此这类产品多应 中职教师在职硕士学位论文 用于要求不高，经费紧张的医疗机构，或作为临时床位、点滴室等应用 场合n 副。 2 ) 红外医疗呼叫系统 如图1 2 所示，由病床红外发射器、病房红外接收器、护士值班室接 收主机等几部分组成红外医疗呼叫系统n 。每个病房内安装一个病房红 外接收器，接收病房内多个病床发射器发射的红外编码呼叫请求信号， 病房与护士值班室接收主机之间可用r s 4 8 5 等通信总线连接。采用数字 调制红外光传递呼叫信息，具有抗干扰能力强、对医疗设备无干扰、对 环境无电磁污染、对人体无害、能耗低等优点，是真正绿色环保的解决 方案。由于红外线没有穿透墙壁的能力，需要有线通信相辅，安装施工 不够简便，因此没有得到广泛应用。 图1 - 2 红外医疗呼叫系统示意图 3 ) z i g b e e 协议无线通信医疗呼叫系统 z i g b e e 是以低复杂度、低成本、低功耗为目标的一种无线通讯协议， 其控制层与物理层基于i e e e8 0 2 1 5 4 规范n 羽，网络层、安全层、应用层 基于z i g b e e 联盟标准规定n 钔。无线通信链路由网络协调器、路由器、终 无线医疗呼叫系统的设计 端节点组成，网络结构有星形网络、树形网络、网状网络等几种可选。 按病房呼叫系统的特点，一般选用树形网络结构，呼叫主机为网络协调 器，在每个房间设置一个路由器，房间内的呼叫分机作为终端节点，通 过路由器加入网络例。与其他无线通讯协议相比，具有节点模块间自动 动态组网、安全性高、可靠性高、节电等特点，广泛地应用于多节点、 自组网、低功耗的无线通信领域。病房呼叫系统传输数据量不大，数据 传输可靠性要求高，呼叫终端电池供电，这些应用要求与z i g b e e 协议的 特点很吻合，是无线通信医疗呼叫系统较理想的解决方案乜。 综合分析目前医疗呼叫系统的研究成果和产品存在的不足，可归纳 为以下几类： 1 ) 有线通信医疗呼叫系统：病房和值班室之间需要大量的连线，安 装布线复杂，检查维修困难，病房扩建不易及费用高，不固定应用场所 使用不便。 2 ) 单工无线通信医疗呼叫系统：可靠性低，抗干扰能力差，发射功 率大，对医疗设备有干扰。 3 ) z i g b e e 协议无线通信医疗呼叫系统：载波频率高，穿透墙壁能 力差，通信距离短；支持z i g b e e 协议的无线模块和微控制器成本相对较 高。 针对以上不足，本文设计采用具有数据打包、c r c 校验、曼切斯特 编码等功能的无线收发芯片n r f 9 0 5 ，采取载波监听、出错自动重发等措 施，保证通信的低误码率和高可靠性。通过增设中继器，延长通信距离、 中职教师在职硕士学位论文 降低发射功率、减小对医疗设备的电磁干扰、降低呼叫终端电池的消耗 量。主机设计有数据暂存、语音循环播报、l e d 循环显示、l c d 翻页查 询呼叫信息、系统设备自动定时检测、故障设备列表提示等具有较完善 功能。 1 3 本文的结构和主要内容 本文的结构和主要内容安排如下： 第1 章：绪论。主要论述医疗呼叫系统的应用背景及项目的实际应 用价值，分析医疗呼叫系统的研究现状及现有各类产品的特点，针对现 有研究成果和产品存在的不足，提出了本课题的研究方向及实现目标。 第2 章：无线通信相关理论。简单介绍无线通信的相关理论知识， 分析影响无线通信距离的各种因素及工程应用中的电波传播损耗的计算 方法。分析无线通信的数据碰撞问题，提出防止数据冲突的方法。 第3 章：系统结构与方案选择。规划无线医疗呼叫系统的设计功能 和技术指标，提出设计思路。论证无线传输的方案及延长无线通信距离 的实现方法。 第4 章：系统硬件电路设计与实现。首先对无线医疗呼叫系统的呼 叫主机、中继器、呼叫分机各功能电路进行设计需求分析；在此基础上 对各功能电路进行设计与实现。分析各关键器件的选型及电路的工作原 理。 第5 章：通信协议。分析无线通信网络拓扑结构，主干通信网络的 主要通信过程；研究呼叫主机、中继器、呼叫分机各功能模块之间的无 无线医疗呼叫系统的设计 线通信协议。分析主机与一览表、楼道显示器之间的通信需求及通信协 议。 第6 章：系统程序设计。在分析清系统各电路单元的工作任务、通 信协议的基础上设计主机、分机、中继器的程序设计流程；给出了部分 程序源代码。 中职教师在职硕士学位论文 第2 章无线通信相关理论 2 1 电磁波的传播方式 当电磁波从天线辐射出来，在地球空间中传播，根据不同的传播性 质有3 种可能的途径。一是直射波( 见图2 1 ) ，电磁波像光线一样直接 传播到接收天线。电磁波通过这种途径传播所受的衰减很小，传播很稳 定，但由于地球本身是个球体，所以，这种方式传播距离有限，收发天 线的高度越高，传输距离就越远。电磁波的频率越高，越倾向于以直射 波传播。二是地面波( 见图2 2 ) ，电磁波贴着地表面传播。地面波传播 只受地面电性能和地形的影响，因此，地面波传播最稳定可靠，受太阳、 昼夜和四季等的变化影响很少。电磁波的频率越低，越有沿地表面传播 的倾向，当频率升高时，地面对电磁波的衰减会很大，传输距离很短， 特别是在起伏大的地形中。三是反射波( 见图2 3 ) ，电磁波经过地面、 地物和天空的电离层等反射后传播到接收天线【2 2 】。无线医疗呼叫属于高 频短距离通信，主要利用直射波传播。由于在室内通信，电磁波的反射、 绕射和折射现象比较严重，接收信号产生重叠干扰，使无线通信距离缩短。 卜被撩、一 图2 - 1 直射波传播 无线医疗呼叫系统的设计 一，、 主 r 琳 无线电发射塔 图2 - 2 地面波传播 无线电接收塔 无线电发射塔 2 2 数字调制方式 图2 - 3 反射波传播 无线电接收塔 在进行数字无线通信时，发送端需要用基带数字信号控制高频载波， 把基带数字信号变换为频带数字信号，此过程为数字调制。接收端则进 行数字解调，将频带数字信号还原成基带数字信号。基本的数字调制方 式有：振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 三种。 数字信号有二进制、四进制、多进制之分，调制方式有一定的区别，本 节只讨论二进制数字调制的三种方式：二进制振幅键控( 2 a s k ) 、二进 制频移键控( 2 f s k ) 、二进制相移键控( 2 p s k ) 。 2 2 1 二进制振幅键控( 2 a s k ) 调制 二进制振幅键控( 2 a s k ) 调制方式采用基带载波序列控制正弦载波 中职教师在职硕士学位论文 信号的振幅或有、无来实现调制，数字“1 ”发送载波，数字“0 不发 送载波，也称为通断键控( o o k ) 2 3 】。是一种较容易实现的调制方式， 抗干扰能力不强，实现方法如图2 4 所示，s ( t ) 为单极性基带矩形脉冲序 列，表示为： 其中 s ( t ) = 口。g ( t 一刀乃) ( 2 - 1 ) 10 ，概率为尸 吼= 11 ，概率为( 1 - p ) q 。2 g ( o 是宽度为死高度为1 的门函数，g ( t - n t 易) 是延迟刀死的门函数。 2 a s k 信号p 可表示为 p ( f ) = s ( t ) c o s c o o t ( 2 3 ) 功率谱密度为 ( 厂) = 百1 陋( 厂+ t o ) + ( 厂一z ) 】 ( 2 4 ) 式2 - 4 中，只为s ( 0 的功率谱密度。若只计基带脉冲频谱的主瓣， 2 a s k 信号的带宽是基带脉冲带宽玩的两倍，其带宽为 b 踩= 2 玩= 现 ( 2 - 5 ) 图2 - 42 a s k 调制示意图 无线医疗呼叫系统的设计 2 2 2 二进制频移键控( 2 f s k ) 调制 用二进制数字基带信号控制载波频率，数字o 和1 用分别用两个不 同的载波频率表示，可用图2 - 5 实现2 f s k 调制，s ( t ) 为单极性基带矩形 脉冲序列【2 4 】。 图2 - 52 f s k 调制示意图 设载波石、石的输出分别为c o s ( q f + 识) 、c o s ( 哆f + 仍) ，输出的 2 f s k 表示为 e ( t ) = s ( t ) c o s ( c o , t + 仍) + s ( t ) c o s ( c o ：t + 仍) ( 2 6 ) 其中 s ( t ) = z a g ( t 一刀瓦) ( 2 7 ) s ( t ) = z a g ( t - n t b ) ( 2 8 ) 10 ，概率为p 、 q = 1 1 ，概率为( 1 - p ) ( 2 。9 q 是q 的反码，表示为 一 l0 ，概率为( 1 一尸) q = 1 1 ，概率为尸 q 。1 中职教师在职硕士学位论文 式2 - 7 、2 - 8 中，g ( t ) 是宽度为t b 两度为1 的门豳数，g ( t - n 2 砂是延迟 刀死的门函数。令g ( t ) 的频谱为c ( c o ) ，a n 取0 和1 的概率相等，p 何的功 率谱表达式为 ( 厂) = 去厂0 g ( 厂+ z ) 1 2 + j 町一z ) 1 2 】 + 去佛( o ) 陬厂+ f 1 ) + 3 ( f z ) 】 + 去6 f , i g ( f + z ) f 2 + i g ( 厂一z ) 1 2 】 + 去佛( o ) 陬厂+ 正) + 8 ( f z ) 】 ( 2 - 二进制频移键控( 2 f s k ) 功率谱如图2 - 6 所示，2 - 1 1 式中，第一 第二项表示2 f s k 信号功率谱的一部分由g 似的功率谱从0 搬移到 ，在 f l 处有载频分量；第三、第四项表示2 f s k 信号功率谱的另一部分由g ( o 的功率谱从0 搬移到五，在五处有载频分量。2 f s k 信号的带宽约为： b = i z z l + 2 厂 ( 2 1 2 ) 图2 - 62 f s k 信号的功率谱 无线医疗呼叫系统的设计 2 2 3 二进制相移键控( 2 p s k ) 调制 二进制相移键控( 2 p s k ) 调制方式是用二进制基带数据信号控制载 波的相位，数据1 和数据0 的载波相位相反3 。调制方式如图2 7 所示。 达式为 图2 72p s k 调制示意图 进制相移键控( 2 p s k ) 信号可看成是一对倒相的信号序列，其表 p ( f ) = s ( t ) c o s c o o t 式( 2 1 3 ) 中，s 基带数据信号表示为 s ( t ) = a 。g ( t - n t 。) 上式中，g ( o 是宽度为死高度为1 的门函数 i + 1 ，概率为p q = 1 1 ，概率为( 1 - p ) 功率谱密度为 ( 厂) = 丢眨( 厂+ f o ) + 只( 厂一工) 】 式2 1 6 中，只仞为s 的功率谱密度。其带宽为 b 2 p s r = 2 8 6 = 2 尼 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 中职教师在职硕士学位论文 三种数字调制方式中，2 a s k 调制方式载波间歇发送，有利于节省发 射电能，调制、解调电路简单，占用频带窄；但误码率高，数据传输速 率低，一般用于要求不高的通信场合。2 f s k 调制方式调制、解调电路较 简单，通信误码率低，通信可靠性高，数据传输速率较高，占用频带宽， 较常采用。2 p s k 调制方式对接收电路要求较高，数据传输速率高，占用 频带窄，在要求较高，多进制数据调制中应用较多。 2 3 影响无线通信距离的因素 自由空间传播时的无线通信距离的计算方法：天线周围为无限大真 空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量 既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。通信距离与发射功率、 接收灵敏度和工作频率的关系式2 5 】： l o s = 3 2 4 4 + 2 0 1 9 d + 2 0 1 9 f ( 2 1 8 ) 式2 1 8 中，l o s 表示传输损耗，单位d b ； d 为传输距离，单位k m i 厂载波频率，单位m h z 由式2 1 8 可见，自由空间中电波传播损耗( 亦称衰减) 只与工作频 率厂和传播距离d 有关，当厂或d 增大一倍时，l o s 将分别增加6 d b 。 设工作频率为4 3 3 9 2 m h z ，发射功率为+ 1 0 d b m ( 1 0 m w ) ，接收灵 敏度为1 0 5 d b m 的系统在自由空间的传播距离： 由发射功率+ 1 0 d b m ，接收灵敏度为1 0 5 d b m ，得： l o s = 1 15 d b 无线医疗呼叫系统的设计 由l o s 、f ，计算得出d = 3 0 公里。 这是理想状况下无线信号的传输距离，实际应用中无线信号传输的 距离小于该值，这是因为无线信号要受到各种外界因素的影响，如大气、 阻挡物、多径等造成损耗。将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算 出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为2 5 d b ，可以计算得出通信距离为： d = 1 7 公里 在室内无线通信时，电磁波会受到墙壁、门窗等阻挡物的衰减，在工 程应用中可按表2 1 选取衰减值阑。另外，在室内由于无线电波的多径 传输、反射、电磁波干扰等多种原因，其传输距离会进一步缩短。为了 满足可靠通信距离的要求，往往加大发射功率，这样会存在成本增加、 功耗加大、干扰其它电子设备等弊端。提高接收机的灵敏度，采用高增 益天线，加设中继器等措施是在不增加发射功率的前提下延长通信距离 的有效途径。 表2 14 3 3 m h z 和8 6 8 m h z 频段室内衰减表 衰减物典型衰减值( d b ) 墙( 室内)1 m 一1 5 墙( 室外)2 _ 3 8 楼层1 2 _ 2 7 窗户 2 - 3 0 中职教师在职硕士学位论文 2 4 防数据碰撞技术 2 4 1 数据碰撞问题 无线呼叫系统通信链路由一个主机和多个呼叫分机构成多点对一点 的结构。多个通信通路竞争一个通信信道的通信方式叫做多路存取。数 据的碰撞问题即无线通信中的多路存取问题 2 7 1 。当有多个发射器同时把 数据传输给同一个接收器时，就会出现数据碰撞问题。在无线电技术中， 有许多解决方法，把不同的用户信号分开。比较典型的方法有四种：空 分多路法、频分多路法、时分多路法以及码分多路法【2 引。这些经典的多 路存取问题解决方法广泛应用于移动通信、卫星通信、无线安防、无线 呼叫等系统中。 对无线呼叫系统来说，呼叫主机与呼叫分机之间只存在很短的通信时 间，呼叫分机的呼叫信息在数十毫秒的时间内就能发送完，大多数时间 呼叫主机都是空闲的，不会接收到呼叫分机发出的信号。但这并不意味 着不需要考虑多个呼叫器同时向呼叫主机传输数据发生数据碰撞的可能 性。应用中需要的是一种高效的多路存取法，使用户感觉不到时间的延 迟就完成了呼叫请求的响应。 2 4 2 防数据碰撞的实现方法 现在比较常用的多路存取方法有频分复用和时分复用法。频分复用法 ( f d m ，f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是在呼叫器与接收器之间建 立多条不同频带的通信信道。但这种方法实现上过于复杂，硬件上需要 增加滤波器组；并且由于信道的非线性会产生交调失真和高次谐波，引 无线医疗呼叫系统的设计 起信号的串路，因而不适合用于无线呼叫系统。时分复用法( t d m ， t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是把各通信终端的发信时间错开来实现多路 存取。t d m 同f d m 相比较具有电路实现简单可靠，对系统的非线性失 真要求不高，采用一些算法能较好的解决数据冲突问题【2 9 。3 1 1 。 2 4 3 基于c s m a 技术的防冲突方法 在一台病房分机请求发送数据的同时，另一台病房分机请求发送数 据，或在一台病房分机在发送数据的过程中，另一台病房分机请求发送 数据，都就会造成通讯冲突。为了防止因通讯冲突而造成的数据传输错 误，可采用c s l v l a ( c a r r i e rs c n s em u l t i p l ea c c e s s ) 技术【3 2 1 。c s m a 即载 波监听多路访问，病房呼叫分机在发送数据前，先检测信道是否空闲， 若空闲，则发送数据。 医疗呼叫系统的传输信息量很小，系统要求的是信息传输的实时性， 同时又互不干扰。要解决这个问题，必须尽可能避免重复冲突现象的发 生。即要求如果发生多台通讯冲突现象，各分机的退避时间应不同。采 用延时退避算法能有效地解决重复冲突问题。 延时退避算法是分机在发送呼叫信息前，先监听信道状态。如果信道 忙，说明有其他分机正在占用信道传输数据。假设一台分机传输数据所 需的时间为t ，则本次数据传输还需占用o 到t 的信道时间。为了避免 同时监听到信道空闲而发生的冲突现象，各分机采用不同的延时监听时 间。 中职教师在职硕士学位论文 2 5 本章小结 本章首先简单介绍电磁波传播的三种基本途径，不同数字调制方式 的已调信号表达式、功率谱、信号带宽分析。分析了影响无线通信距离 的因素及工程应用中的电波传播损耗的计算方法。分析无线通信的数据 碰撞问题，提出防止数据冲突的方法。 无线医疗呼叫系统的设计 第3 章系统结构与方案选择 本课题的设计任务是实现病床呼叫分机与呼叫受理主机之间的较远 距离的可靠无线通信。可靠传输可以通过对无线传输的数据进行编码、 添加校验位、对传输失败或出错的数据进行重发等方法实现。远距离传 输可以通过增加无线信号的发射功率或通过增设无线中继器实现。 3 1 系统设计功能及技术指标 具体设计功能及技术指标如下： 1 ) 主要设计功能： a 应答式通信方式，多级信号中继，满足各类医院通信距离要求。 b 主机l e d 一览表加数码管显示，每个病床一组l e d 指示灯，显 示呼叫信息、护理等级、病情、饮食级别等辅助信息；能够设置呼叫级 别，即紧急呼叫和一般呼叫，紧急呼叫具有优先权；语音报号，音量按 不同时间段自动调节；存储2 0 条未处理呼叫信息。 c 呼叫分机低功耗设计，电池供电，有呼叫和呼叫撤消功能；有电 池电量不足检测功能，并能向主机发送电量不足信息，提示更换电池。 d 走廊显示屏采用无线接口方式，通信距离大于5 0 米，可安装于信 号覆盖范围内的任何位置，具有显示时间和呼叫号的功能。 2 ) 主要技术指标： a 最大分机容量：1 2 0 2 l 中职教师在职硕士学位论文 b 工作频段：4 3 3 m h z ；调制方式：f s k c 数据传输速率：1 0 0 k b i t s d 发射功率：1 0 d b m ，接收机灵敏度：一1 0 0 d b m e 误码率：低于o 1 3 2 系统总体结构 团跫： 日； 图3 - 1 系统结构图 从结构图3 1 中看出：一个完整的系统，由一台主机、若干台中继器、 若干台分机构成。其中主机是唯一的，中继器数目根据需要而定，最多 可注册4 8 台中继器；分机作为通信终端，最多允许1 2 0 个分机节点；分 机可以注册到主机或者任一中继器，注册应遵守通信距离最短的原则。 团四团团 、警。窜守自，自守白 田团团团 无线医疗呼叫系统的设计 系统主要有以下几种工作流程： ( 1 ) 分机向主机发送呼叫请求 分机设有三个按键，分别为“呼叫、“取消呼叫 和“输液完毕 。当相 应按键按下时，信号经无线发射模块发射出去，中继器( 若需中继) 收 到来自分机的呼叫信号以后，按通信协议将信号上传，当主机接收到此 信号以后，提取其i d ，然后对存储器进行检索( 存储器里面存有已注册 的所有分机i d 号码) 若检索到此i d 号，则认为信息是来自本系统的呼 叫请求，然后启动语音报号及显示屏显示呼叫信息，并向分机回送应答 信号。下传的应答信号同样经中继器中转，分机收到确认信号以后，才 认为呼叫成功，若在规定的时间内没有接收到主机传来应答信号，则延 时一段时间后再次发送呼叫请求信号，确保呼叫的可靠性。 ( 2 ) 通信链路检测：此信号由主机主动发出，用来检测各中继器的 工作情况，主机轮流向各中继器发出一特定信号，中继器收到此信号， 将无条件作出回应，若主机在规定的时间内收到此回应，则认为此线路 通信正常，否则在液晶显示器上发出通信线路故障的提示，以方便维护 人员进行通信线路维护。 ( 3 ) 时间床位号轮流显示：主机将每分钟向楼道显示器发出一帧 时间信息，用以刷新楼道显示器的显示时间。当有呼叫请求时，主机将 向楼道显示器发出床位信息，楼道显示器收到此信号后将在显示器上显 示1 0 秒后，转为显示时间。 中职教师在职硕士学位论文 3 3 无线传输的方案论证 可靠传输主要通过对发送的信号进行编码、添加校验位、出错重发等 方法实现。这些过程可以由单片机完成，也可由专用的无线数传模块完成。 3 31 无线传输方案 方案一：无线发射电路采用直接基带数据调制芯片，由单片机完成 添加前导码、位同步码、数据打包、曼切斯特编码、c r c 校验码生成等 工作。单片机产生的基带数据流经调制引脚输入到发射模块，射频调制、 功率放大后送天线发射无线电波。无线接收模块由天线接收到电波信号 后经放大、混频、基带数据解码等处理后得到基带数据码流。单片机需 要不断地检测数据流，以便迅速、准确地从杂乱的杂波中识别出前导码， 经获取位同步码、数据位采样、曼切斯特解码、地址匹配检查、c r c 校 验等复杂处理后得到正确数据。此方案单片机实时性要求高，算法较复 杂、编程工作量大、通信可靠性难以保证。其结构如图3 - 2 所示。 u 盟哩猕 l 壁生鬯垫垒型叫 匹垂擗匾匝蛔 f 面爵砩 厂1 西_ b 匪固野匝9 覃 蔓正 0 图3 - 2 方案一框豳 方案二：采用自身具有完整收、发信号处理功能的芯片设计无线数 传模块，可由片内硬件自动完成前导码的添加检测，曼彻斯特编码解 码，c r c 校验，地址匹配，载波检测等处理。使用s p i 、1 2 c 等接口与微 詈 一 无线医疗呼叫系统的设计 控制器通信，编程简单，通信效果好，本设计采用此方案。其结构如图 3 - 3 所示。 呼尸雩芦甲y 盛畦。 图 3 方案二框图 33 2 延长无线通信距离的方案论证 目前，我国医院病房的布局大多是若干个病室分布在长长的走廊两 旁，护士值班室设在走廊端头或中间位置。病床呼叫器发射的无线电波 需要穿透多道隔墙，信号衰减非常大，经过现场试验，1 0 d b m 的发射功 率其可靠通信距离只有3 0 到4 0 米左右，而大型病房走廊长达上百米。 要实现可靠的无线数据通信，可采用以下二种方案实现： 方案一：通过增加无线发射的功率实现数据的远距离传输。 方案二：通过增设无线中继器拓展传输网络，实现远距离传输。 对比上面两种不同的方案，方案一通过增加无线发射功率实现来增 加传输距离，有以下缺点： 1 功耗会随着发射功率的增大而增大； 2 i s m 无线频段不允许大功率发信，限制了功率的增大； 3 加大发射功率会干扰其他医疗设备，可能引发严重的医疗事故： 4 本系统中的分机采用电池供电，增大发射功率会大大缩短电池的 使用寿命。 中职教师在职硕士学位论文 方案二中，虽然增设中继器会带来成本的增加，但中继器的使用使 得通信距离拓展更加灵活；发射功率的下降可以使分机的功耗更低，电 池使用寿命更长。因此，本系统采用方案二。 3 3 3 无线通信频率的选择 目前，工业、科学研究、医学( i s m ) 使用的免费频段有：4 3 0 m h z 、 8 6 8 m h z 和2 4 0 0m h z 三个，这些频段的使用不需要申请。无线电管理委 员会对发射功率和连续发射时间有严格规定，发射功率小于1 0 m w 、连 续发射时间小于1 秒。由第2 章的式2 1 8 可知：频率每升高一倍，信号 衰减增加6 d b ，通信距离缩短一倍。为了用较小的发射功率实现较远距 离的可靠通信，选用4 3 0 m h z 频段，该频段大气衰减小、穿透墙壁能力 较强、多径衰落较小，在医院的通信环境中能达到3 0 米以上的可靠通信 距离。 3 4 本章小结 根据目前医疗呼叫存在的不足和医疗机构对呼叫系统提出的功能需 求，制定了无线医疗呼叫系统的设计功能和技术指标，提出设计思路。 对两种无线传输的方案进行论证，确定采用具有载波检测、数据校验、 地址匹配检测、自动数据打