基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)對醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊，提出了基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)。其利用了ZigBee技術(shù)低功耗，低成本，時延短，可使用免費(fèi)特定頻段，高保密的特點(diǎn)，通過硬件設(shè)計(jì)和軟件仿真，驗(yàn)證了該無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)具有優(yōu)秀的無線通訊效果及可操作性，且該系統(tǒng)相對基于其他無線通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)，將有更大網(wǎng)絡(luò)容量，可管理更多終端節(jié)點(diǎn)，這擴(kuò)大了醫(yī)院監(jiān)控范圍，可大大提高醫(yī)院的醫(yī)療管理效率。

傳統(tǒng)醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視，通過RS-485或其他有線方式連接到主機(jī)上。這樣的監(jiān)控系統(tǒng)必須在醫(yī)院病房及走廊上進(jìn)行線路布置，且監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需固定在某個位置上，不能帶出病房，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時維護(hù)困難。

如今醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)正利用無線通訊方式的及時性和移動性，結(jié)合醫(yī)療管理系統(tǒng)建立無線監(jiān)控系統(tǒng)，使對病房的監(jiān)控(包括病人體溫監(jiān)控及病人的呼叫監(jiān)控)處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理之下，從而及時應(yīng)答病人請求。

目前主要流行的無線通訊技術(shù)包含了IrDA紅外線技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。IrDA紅外線技術(shù)屬于半雙工通訊方式，使用上不便且失誤率較高。而藍(lán)牙技術(shù)成本較高，網(wǎng)絡(luò)容量有限，不適于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)較多的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)。而ZigBee作為新型無線組網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)簡單，低功耗，低成本，很適合用來實(shí)現(xiàn)小范圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，另外，還可以通過增加網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)來解決ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離通訊的問題。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是當(dāng)今流行的短距離，低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)。它基于IEEE802.15.4，是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee依托于一個個獨(dú)立工作節(jié)點(diǎn)，利用無線通信技術(shù)，通過自組織的方式組成星型，樹型及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)?？紤]降低系統(tǒng)成本，IEEE 802.15.4定義了兩種物理設(shè)備類型：全功能設(shè)備FFD和精簡功能設(shè)備RFD。FFD節(jié)點(diǎn)具有控制器的功能，以提供數(shù)據(jù)交換，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)使用，可以和網(wǎng)絡(luò)中任何類型的設(shè)備通信;RFD智能作為終端節(jié)點(diǎn)使用。

ZigBee的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)如下：

1)低功耗：兩節(jié)五號電池可供網(wǎng)絡(luò)使用六個月至兩年左右的時間，這是其突出優(yōu)勢，相比之下，藍(lán)牙可以工作數(shù)周，而wifi工作數(shù)小時。

2)可靠。采用碰撞避免機(jī)制;節(jié)點(diǎn)模塊間具有自動動態(tài)組網(wǎng)功能，信息在整個網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由方式進(jìn)行傳輸，從而有效保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3)成本低：通過大幅簡化協(xié)議降低成本，ZigBee協(xié)議專利免費(fèi)。

4)時延短：針對時延敏感應(yīng)用做了優(yōu)化，使其響應(yīng)速度較快，通信時延只需30 ms，從休眠狀態(tài)激活的時延只需15 ms，這也在一定程度上節(jié)省了電能。

5)網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee的三種網(wǎng)絡(luò)(星型，樹型，網(wǎng)狀)由一個主節(jié)點(diǎn)來管理若干個子節(jié)點(diǎn)，而一個主節(jié)點(diǎn)最多管理254個子節(jié)點(diǎn)。與此同時，主節(jié)點(diǎn)還可以由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，因此最多可支持達(dá)65000個節(jié)點(diǎn)。

6)高保密性：ZigBee采用了64位出廠編號并且應(yīng)用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)以靈活確定其安全屬性。

7)免執(zhí)照頻段：采用全球統(tǒng)一的工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4 Hz頻段。

2 基于ZigBee技術(shù)無線醫(yī)院監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組建

2.1 醫(yī)院監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

ZigBee支持包辦有主從設(shè)備的星型，樹型，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有一個中央?yún)f(xié)調(diào)器)和若干個從設(shè)備(終端節(jié)點(diǎn))，所有的終端節(jié)點(diǎn)智能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，適應(yīng)于小范圍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)使用。樹型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是由一個中央控制器(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器)和若干終端節(jié)點(diǎn)組成，在控制器與終端節(jié)點(diǎn)間由由路由器連接眾多星型網(wǎng)絡(luò)，可以說是利用路由器的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充，適合分布范圍較大的應(yīng)用場合。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何設(shè)備都可以與它所涵蓋的無線通信范圍內(nèi)的其他設(shè)備進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。而針對醫(yī)院病房比較集中，且范圍有限的特點(diǎn)，根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)說明，室內(nèi)環(huán)境一般可以達(dá)到30多米的覆蓋范圍，所以對于一般醫(yī)院病房區(qū)足夠，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為合適，又其具有簡潔和低功耗特點(diǎn)，所以醫(yī)院無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用星型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2 醫(yī)院無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組建

醫(yī)院無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)置一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD)與若干個終端節(jié)點(diǎn)(RFD)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)置在醫(yī)院監(jiān)控室中，負(fù)責(zé)建立和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況以及將接受信息發(fā)送至計(jì)算機(jī)中。終端節(jié)點(diǎn)(RFD)分布在各個病房內(nèi)，負(fù)責(zé)采集病房溫度及設(shè)置在病房內(nèi)的呼叫按鍵值，并周期性地將采集的信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件及基本電路設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD)的組成

此醫(yī)院無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD)由CC2430，串口部分，按鍵以及液晶組成，用來顯示當(dāng)前病房的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

CC2430是由Chipcon公司生產(chǎn)的系統(tǒng)芯片，其延用了CC2420芯片結(jié)構(gòu)，在單個芯片上面包含了ZigBee射頻(RF)前端，內(nèi)存以及微控制器。它使用一個8位的MCU(8051)，具有128KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，4個定時器，AES-128安全協(xié)處理器，看門狗定時器(Watchdog Timer)，32 kHz晶振休眠模式定時器，上點(diǎn)復(fù)位電路，掉電檢測電路，和21個可編程I/O引腳。該網(wǎng)絡(luò)中CC2430的I/O口直接控制液晶，用來顯示當(dāng)前溫度或者病人是否有幫助需求。這里采用了ADC采樣掃描鍵盤，可節(jié)省I/O口數(shù)量。其中SIP3223芯片即FAN3223芯片，SIP封裝，是一塊雙路4 A高速，低側(cè)柵極驅(qū)動器。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)(RFD)的構(gòu)建

ZigBee節(jié)點(diǎn)由微控制器模塊，存儲器，無線收發(fā)模塊，電源模塊，傳感器模塊及其他外設(shè)組成。終端節(jié)點(diǎn)(RFD)設(shè)置在每個病床旁，與病人的手持終端相連，該節(jié)點(diǎn)可以檢測自己所處環(huán)境溫度，并且可以掃描按鍵值，然后將檢測到的溫度值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送至主機(jī)。其中增加的串口擴(kuò)展接口可通過外接RS-232(異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口)模塊將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)。原理框圖如圖3所示。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)(RFD)中傳感器的選擇

本系統(tǒng)使用的傳感器為TC77.它SPI串行接口的溫度傳感器，尺寸小，成本低，使用方便，是多種系統(tǒng)溫度管理的理想選擇。TC77所檢測的溫度數(shù)據(jù)通過其內(nèi)部的溫度敏感元件轉(zhuǎn)換獲得，可以隨時轉(zhuǎn)化為13位的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)字?？梢酝ㄟ^SPI及Microwire可兼容接口與TC77完成通信。

4 軟件實(shí)現(xiàn)過程

4.1 初始化

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器初始化

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先初始化CC2430和液晶，程序方面初始化協(xié)議棧.并且打開中斷。然后開始格式化一個網(wǎng)絡(luò)，可以通過液晶上顯示的格式化網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息判斷格式化是否成功。通過串口57600，8，N，1在串口調(diào)試助手里可以看到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的物理地址，所建立網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)頻道號和ID號等信息。

4.1.2 終端節(jié)點(diǎn)(RFD)初始化

終端節(jié)點(diǎn)(RFD)程序中同樣初始化CC2430，之后打開傳感器電源，然后再進(jìn)行協(xié)議棧初始化，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信號，等待主機(jī)的響應(yīng)，同時給主機(jī)分配網(wǎng)絡(luò)地址。

4.1.3 新節(jié)點(diǎn)建立

程序進(jìn)入應(yīng)用層，通過對相關(guān)函數(shù)監(jiān)測到空中的ZigBee信號，判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)(RFD)或路由加入網(wǎng)絡(luò)。若有終端節(jié)點(diǎn)(RFD)或路由，一方面液晶及串口輸出將顯示有新的終端節(jié)點(diǎn)(RFD)或路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，并且顯示有關(guān)加入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的物理地址，另一方面網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器分配網(wǎng)絡(luò)地址給加入的節(jié)點(diǎn)。

4.2 工作過程

終端節(jié)點(diǎn)(RFD)周期性采集溫度值和掃描按鍵值，并將檢測數(shù)據(jù)打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后等待接收應(yīng)答。如果發(fā)送成功，則終端節(jié)點(diǎn)(RFD)回到空閑狀態(tài)，否則終端節(jié)點(diǎn)(RFD)重新采集數(shù)據(jù)再次發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器直到成功。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后在液晶上顯示接收到的溫度值和按鍵信息。如果幫助按鍵按下，頁面上則會顯示“HELP ME!”，此時可以通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上的下鍵清除顯示的求助信號。

5 結(jié)束語

基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)充分利用無線網(wǎng)絡(luò)的移動性和及時性，使醫(yī)院處于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理之下，節(jié)省了架線，方便了醫(yī)護(hù)之間的通訊，勢必會在未來醫(yī)院系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。