基于Zigbee技術(shù)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我國(guó)醫(yī)療資源緊缺， 開發(fā)醫(yī)院局域型的智能化監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)可以減少醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)， 提高醫(yī)護(hù)人員工作效率和服務(wù)質(zhì)量。傳統(tǒng)的解決方案是采用有線或簡(jiǎn)單的無線數(shù)據(jù)收發(fā)方式， 被監(jiān)護(hù)者身上安裝的傳感器設(shè)備不能自由靈活地移動(dòng)和接入網(wǎng)絡(luò)， 系統(tǒng)沒有可擴(kuò)展性。采用Zigbee 技術(shù)為傳感器信號(hào)的無線傳輸提供了新的解決方案，Zigbee 節(jié)點(diǎn)可以覆蓋幾十米的范圍， 而且可以自由地增加路由節(jié)點(diǎn)， 擴(kuò)展覆蓋范圍， 非常適用于局域型醫(yī)院住院護(hù)理。由于生理監(jiān)護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，Zigbee 的250 kb/s 的傳輸速率能夠滿足生理數(shù)據(jù)的傳輸要求。Zigbee 傳感節(jié)點(diǎn)可以自由地接入和退出網(wǎng)絡(luò)， 具有低功耗和低成本的特點(diǎn)， 因而Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在局域型的醫(yī)護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

1 基于Zigbee 的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)

Zigbee 是一種近距離無線網(wǎng)絡(luò)連接，該技術(shù)的主要特點(diǎn)是低速、低功耗和低成本， 支持大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓樸。它工作于2.4 GHz ( 全球) 、868 MHz( 歐洲) 及915 MHz( 美國(guó)) 的ISM 頻段， 遵循IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中， 有三種主要的網(wǎng)絡(luò)拓樸， 分別是星狀、樹狀和網(wǎng)狀， 如圖1 所示。

Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)

圖1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)

根據(jù)功能不同， 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)(Coordinator) 、路由器節(jié)點(diǎn)(Router) 和終端節(jié)點(diǎn)(End Device) ，在圖1 中以不同的形狀表示， 每個(gè)Zigbee 節(jié)點(diǎn)都由具有無線收發(fā)功能的無線單片機(jī)CC2430組成， 在無線單片機(jī)內(nèi)部安裝有Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧。在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中， 每個(gè)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)必須有一個(gè)唯一的協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)， 該節(jié)點(diǎn)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)地圖、允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)組織、路由信息等，是一個(gè)全功能節(jié)點(diǎn)， 任何時(shí)刻都必需打開無線收發(fā)功能， 在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中有著非常重要的作用。

1.2 病房監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

基于Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 主要由各病房?jī)?nèi)部具有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集功能的Zigbee 無線傳感器節(jié)點(diǎn)、以病房為單位的若干個(gè)具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn)和院內(nèi)Zigbee 中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)， 是整個(gè)醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)的核心部分， 負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中ZR 為具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)，ZE 為無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過各路由節(jié)點(diǎn)向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)， 由于被監(jiān)護(hù)者在病房或醫(yī)院內(nèi)自由活動(dòng)， 所以其攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)的路由是動(dòng)態(tài)變化的， 無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)形成的是一個(gè)自動(dòng)跳變的多跳網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)通信距離為幾十米， 路由節(jié)點(diǎn)可根據(jù)病房的分布進(jìn)行布置， 以能夠最大程度地覆蓋活動(dòng)區(qū)域。因而該系統(tǒng)具有很大的靈活性及擴(kuò)展性， 同時(shí)， 該系統(tǒng)可以方便地接入Internet 網(wǎng)絡(luò)， 形成更大的醫(yī)院間醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)， 以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源共享。

圖2 基于Zigbee 的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

4.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件模塊設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后首先對(duì)CC2430 進(jìn)行初始化， 然后建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有FFD 節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)， 為每一個(gè)FFD 節(jié)點(diǎn)分配地址。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)， 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令， 之后等待接收采樣來的數(shù)據(jù)， 并將數(shù)據(jù)通過RS232 口上傳給上位PC 機(jī)處理。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)綜合測(cè)試基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能， 血壓傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)護(hù)PC機(jī)上， 由專業(yè)醫(yī)療人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 進(jìn)而提出相應(yīng)的醫(yī)療和護(hù)理方案。一次模擬3 個(gè)病人的血壓測(cè)量數(shù)據(jù)如表1 所示， 經(jīng)模擬測(cè)試， 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能正常，無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸功能正常， 終端自動(dòng)入網(wǎng)和跳網(wǎng)功能能夠?qū)崿F(xiàn)。

表1 模擬測(cè)試3 個(gè)終端的血壓測(cè)量數(shù)據(jù)

本文介紹了一種基于Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)， 分析研究了Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的一般拓樸結(jié)構(gòu)， 采用無線龍公司的LC2480 無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)無線終端的設(shè)計(jì)， 研究了傳感器終端的接口電路設(shè)計(jì)， 給出了路由終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖， 最后進(jìn)行了模擬的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性， 通過Internet 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控和醫(yī)院間的信息資源共享。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以采用一個(gè)無線收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器組成， 隨著技術(shù)的發(fā)展， 越來越多的公司將無線收發(fā)芯片和微控制器做成了一個(gè)片上系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)中采用TI 公司的CC2430 。CC2430 芯片是一種采用8051 內(nèi)核的Zigbee 無線單片機(jī)， 它包括一個(gè)高性能的2.4 GHz DSSS ( 直接序列擴(kuò)頻) 射頻收發(fā)器核心和一個(gè)工業(yè)級(jí)小巧高效的8051 控制器。芯片上集成了Zigbee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器，具有32/64/128 KB 可編程Flash 和8 KB 的RAM， 還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 、幾個(gè)定時(shí)器(Timer ) 、AES-128 安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器(Watchdog Timer ) 、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21 個(gè)可編程I/O 腳。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理器模塊設(shè)計(jì)采用無線龍公司的LC2480 網(wǎng)絡(luò)處理模塊，LC2480 網(wǎng)絡(luò)處理模塊采用了標(biāo)準(zhǔn)Zigbee 的CC2430 芯片， 內(nèi)置了無線龍公司開發(fā)的兼容軟件，LC2480 網(wǎng)絡(luò)處理模塊原理示意圖如圖3 所示。

圖3 LC2480 網(wǎng)絡(luò)處理模塊原理示意圖

3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要完成各種生理數(shù)據(jù)信息的采集， 如體溫、血壓和心電信號(hào)等。由于特殊環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)中要求具有體積小、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)， 為了便于功能擴(kuò)展， 預(yù)留了足夠的傳感器接口， 如果在實(shí)際使用中需要功能擴(kuò)展，只要接入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集傳感器， 開發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制軟件， 就可以直接加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)， 并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。圖4 給出了一種血壓傳感器接口電路的設(shè)計(jì)方案框圖， 根據(jù)血壓信號(hào)阻抗大、信號(hào)弱和不穩(wěn)定的特性， 要求血壓傳感器接口電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的特點(diǎn)。

圖4 血壓傳感器接口電路

由傳感器采樣袖帶內(nèi)變化的壓力信號(hào)， 從中分離出脈搏信號(hào)， 找到收縮壓和舒張壓對(duì)應(yīng)的位置， 從而得到數(shù)據(jù)。將來自傳感器的信號(hào)放大， 經(jīng)低通濾波和帶通濾波后得到壓力信號(hào)， 再經(jīng)主放大器放大和信號(hào)調(diào)理， 送入主控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理。

4 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

4.1 路由FFD 節(jié)點(diǎn)軟件模塊設(shè)計(jì)

路由FFD 模塊上電后首先對(duì)CC2430 進(jìn)行初始化，然后嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。如果加入網(wǎng)絡(luò)成功， 在接收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出的開始采樣指令后開始采樣數(shù)據(jù)， 并利用CC2430 自帶的A/D 轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其軟件流程如圖5所示。