基于Zigbee技術的病房監(jiān)護系統(tǒng)的設計

我國醫(yī)療資源緊缺， 開發(fā)醫(yī)院局域型的智能化監(jiān)護網絡可以減少醫(yī)護人員的工作負擔， 提高醫(yī)護人員工作效率和服務質量。傳統(tǒng)的解決方案是采用有線或簡單的無線數據收發(fā)方式， 被監(jiān)護者身上安裝的傳感器設備不能自由靈活地移動和接入網絡， 系統(tǒng)沒有可擴展性。采用Zigbee 技術為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案，Zigbee 節(jié)點可以覆蓋幾十米的范圍， 而且可以自由地增加路由節(jié)點， 擴展覆蓋范圍， 非常適用于局域型醫(yī)院住院護理。由于生理監(jiān)護的數據傳輸量不大，Zigbee 的250 kb/s 的傳輸速率能夠滿足生理數據的傳輸要求。Zigbee 傳感節(jié)點可以自由地接入和退出網絡， 具有低功耗和低成本的特點， 因而Zigbee 無線傳感網絡在局域型的醫(yī)護監(jiān)控系統(tǒng)中有著良好的應用前景。

　　1 基于Zigbee 的無線傳感網絡系統(tǒng)架構

　　1.1 Zigbee 網絡拓樸結構

　　Zigbee 是一種近距離無線網絡連接，該技術的主要特點是低速、低功耗和低成本， 支持大量的網絡節(jié)點、支持多種網絡拓樸。它工作于2.4 GHz （ 全球） 、868 MHz（ 歐洲） 及915 MHz（ 美國） 的ISM 頻段， 遵循IEEE802.15.4技術標準。在Zigbee 網絡中， 有三種主要的網絡拓樸， 分別是星狀、樹狀和網狀， 如圖1 所示。

圖1 Zigbee 網絡拓樸結構

　　根據功能不同， 無線網絡節(jié)點包括協(xié)調者節(jié)點（Coordinator） 、路由器節(jié)點（Router） 和終端節(jié)點（End Device） ，在圖1 中以不同的形狀表示， 每個Zigbee 節(jié)點都由具有無線收發(fā)功能的無線單片機CC2430組成， 在無線單片機內部安裝有Zigbee 無線網絡軟件協(xié)議棧。在Zigbee 網絡組織結構中， 每個個人區(qū)域網必須有一個唯一的協(xié)調者節(jié)點， 該節(jié)點承擔網絡時序管理、網絡協(xié)調、存儲網絡地圖、允許其他設備加入網絡、網絡組織、路由信息等，是一個全功能節(jié)點， 任何時刻都必需打開無線收發(fā)功能， 在Zigbee 網絡中有著非常重要的作用。

　　1.2 病房監(jiān)護網絡體系結構

　　基于Zigbee 無線傳感網絡的病房監(jiān)護系統(tǒng) 主要由各病房內部具有相應數據采集功能的Zigbee 無線傳感器節(jié)點、以病房為單位的若干個具有路由功能的無線節(jié)點和院內Zigbee 中心網絡協(xié)調器組成。網絡協(xié)調器連接Zigbee 無線網絡與以太網， 是整個醫(yī)院無線網絡的核心部分， 負責無線傳感器網絡節(jié)點和設備節(jié)點的管理，系統(tǒng)結構如圖2 所示。圖中ZR 為具有路由功能的FFD節(jié)點，ZE 為無線傳感器終端節(jié)點。無線傳感器節(jié)點可以通過各路由節(jié)點向無線網關發(fā)送數據， 由于被監(jiān)護者在病房或醫(yī)院內自由活動， 所以其攜帶的傳感器節(jié)點的路由是動態(tài)變化的， 無線傳感器終端節(jié)點與路由節(jié)點形成的是一個自動跳變的多跳網絡。由于無線傳感器終端節(jié)點的室內通信距離為幾十米， 路由節(jié)點可根據病房的分布進行布置， 以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域。因而該系統(tǒng)具有很大的靈活性及擴展性， 同時， 該系統(tǒng)可以方便地接入Internet 網絡， 形成更大的醫(yī)院間醫(yī)療監(jiān)護網絡， 以實現醫(yī)療資源共享。

圖2 基于Zigbee 的病房監(jiān)護系統(tǒng)結構

2 無線傳感器網絡節(jié)點設計

4.2 網絡協(xié)調器節(jié)點軟件模塊設計

　　網絡協(xié)調器上電后首先對CC2430 進行初始化， 然后建立一個無線網絡。當有FFD 節(jié)點申請加入時， 為每一個FFD 節(jié)點分配地址。當需要進行數據采集時， 網絡協(xié)調器發(fā)出數據采集指令， 之后等待接收采樣來的數據， 并將數據通過RS232 口上傳給上位PC 機處理。網絡協(xié)調器節(jié)點軟件流程如圖6 所示。

圖6 網絡協(xié)調器節(jié)點軟件流程圖

　　5 實驗驗證

　　系統(tǒng)綜合測試基本實現設計功能， 血壓傳感器節(jié)點采集到的數據通過Zigbee 無線傳感網絡發(fā)送至監(jiān)護PC機上， 由專業(yè)醫(yī)療人員對數據進行統(tǒng)計分析， 進而提出相應的醫(yī)療和護理方案。一次模擬3 個病人的血壓測量數據如表1 所示， 經模擬測試， 系統(tǒng)數據采集功能正常，無線網絡信息傳輸功能正常， 終端自動入網和跳網功能能夠實現。

表1 模擬測試3 個終端的血壓測量數據

　　本文介紹了一種基于Zigbee 無線傳感網絡實現的病房監(jiān)護系統(tǒng)， 分析研究了Zigbee 網絡的一般拓樸結構， 采用無線龍公司的LC2480 無線網絡模塊實現無線終端的設計， 研究了傳感器終端的接口電路設計， 給出了路由終端和網絡協(xié)調器的軟件設計流程圖， 最后進行了模擬的網絡測試。系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴展性， 通過Internet 網絡可以實現遠程醫(yī)療監(jiān)控和醫(yī)院間的信息資源共享。

　　無線傳感器網絡節(jié)點的設計可以采用一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器組成， 隨著技術的發(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片上系統(tǒng)， 設計中采用TI 公司的CC2430 。CC2430 芯片是一種采用8051 內核的Zigbee 無線單片機， 它包括一個高性能的2.4 GHz DSSS （ 直接序列擴頻） 射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級小巧高效的8051 控制器。芯片上集成了Zigbee 射頻前端、內存和微控制器，具有32/64/128 KB 可編程Flash 和8 KB 的RAM， 還包含模/數轉換器（ADC） 、幾個定時器（Timer ） 、AES-128 安全協(xié)處理器、看門狗定時器（Watchdog Timer ） 、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21 個可編程I/O 腳。整個網絡處理器模塊設計采用無線龍公司的LC2480 網絡處理模塊，LC2480 網絡處理模塊采用了標準Zigbee 的CC2430 芯片， 內置了無線龍公司開發(fā)的兼容軟件，LC2480 網絡處理模塊原理示意圖如圖3 所示。

圖3 LC2480 網絡處理模塊原理示意圖

　　3 傳感器終端節(jié)點電路設計

　　傳感器終端節(jié)點主要完成各種生理數據信息的采集， 如體溫、血壓和心電信號等。由于特殊環(huán)境的要求，設計中要求具有體積小、功耗低和抗干擾能力強等特點。在無線網絡節(jié)點設計時， 為了便于功能擴展， 預留了足夠的傳感器接口， 如果在實際使用中需要功能擴展，只要接入相應的數據采集傳感器， 開發(fā)相應的嵌入式控制軟件， 就可以直接加入無線傳感網絡， 并進行數據的采集與傳輸。圖4 給出了一種血壓傳感器接口電路的設計方案框圖， 根據血壓信號阻抗大、信號弱和不穩(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。

圖4 血壓傳感器接口電路

　　由傳感器采樣袖帶內變化的壓力信號， 從中分離出脈搏信號， 找到收縮壓和舒張壓對應的位置， 從而得到數據。將來自傳感器的信號放大， 經低通濾波和帶通濾波后得到壓力信號， 再經主放大器放大和信號調理， 送入主控系統(tǒng)進行相應處理。

　　4 無線網絡節(jié)點軟件設計

　　4.1 路由FFD 節(jié)點軟件模塊設計

　　路由FFD 模塊上電后首先對CC2430 進行初始化，然后嘗試加入網絡。如果加入網絡成功， 在接收到網絡協(xié)調器發(fā)出的開始采樣指令后開始采樣數據， 并利用CC2430 自帶的A/D 轉換將模擬信號轉換為數字信號，然后將數據包發(fā)送到網絡協(xié)調器。其軟件流程如圖5所示。

圖5 FFD 節(jié)點軟件流程圖