基于Zigbee技術(shù)的病房監護系統的設計

我國醫療資源緊缺， 開(kāi)發(fā)醫院局域型的智能化監護網(wǎng)絡(luò )可以減少醫護人員的工作負擔， 提高醫護人員工作效率和服務(wù)質(zhì)量。傳統的解決方案是采用有線(xiàn)或簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)方式， 被監護者身上安裝的傳感器設備不能自由靈活地移動(dòng)和接入網(wǎng)絡(luò )， 系統沒(méi)有可擴展性。采用Zigbee 技術(shù)為傳感器信號的無(wú)線(xiàn)傳輸提供了新的解決方案，Zigbee 節點(diǎn)可以覆蓋幾十米的范圍， 而且可以自由地增加路由節點(diǎn)， 擴展覆蓋范圍， 非常適用于局域型醫院住院護理。由于生理監護的數據傳輸量不大，Zigbee 的250 kb/s 的傳輸速率能夠滿(mǎn)足生理數據的傳輸要求。Zigbee 傳感節點(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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )在局域型的醫護監控系統中有著(zhù)良好的應用前景。

1 基于Zigbee 的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )系統架構

1.1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò )拓樸結構

Zigbee 是一種近距離無(wú)線(xiàn)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) 的ISM 頻段， 遵循IEEE802.15.4技術(shù)標準。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(shù)狀和網(wǎng)狀， 如圖1 所示。

Zigbee 網(wǎng)絡(luò )拓樸結構

圖1 Zigbee 網(wǎng)絡(luò )拓樸結構

根據功能不同， 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括協(xié)調者節點(diǎn)(Coordinator) 、路由器節點(diǎn)(Router) 和終端節點(diǎn)(End Device) ，在圖1 中以不同的形狀表示， 每個(gè)Zigbee 節點(diǎn)都由具有無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能的無(wú)線(xiàn)單片機CC2430組成， 在無(wú)線(xiàn)單片機內部安裝有Zigbee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )軟件協(xié)議棧。在Zigbee 網(wǎng)絡(luò )組織結構中， 每個(gè)個(gè)人區域網(wǎng)必須有一個(gè)唯一的協(xié)調者節點(diǎn)， 該節點(diǎn)承擔網(wǎng)絡(luò )時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò )協(xié)調、存儲網(wǎng)絡(luò )地圖、允許其他設備加入網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )組織、路由信息等，是一個(gè)全功能節點(diǎn)， 任何時(shí)刻都必需打開(kāi)無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能， 在Zigbee 網(wǎng)絡(luò )中有著(zhù)非常重要的作用。

1.2 病房監護網(wǎng)絡(luò )體系結構

基于Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的病房監護系統 主要由各病房?jì)炔烤哂邢鄳獢祿杉δ艿腪igbee 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、以病房為單位的若干個(gè)具有路由功能的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)和院內Zigbee 中心網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器組成。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器連接Zigbee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)， 是整個(gè)醫院無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的核心部分， 負責無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和設備節點(diǎn)的管理，系統結構如圖2 所示。圖中ZR 為具有路由功能的FFD節點(diǎn)，ZE 為無(wú)線(xiàn)傳感器終端節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可以通過(guò)各路由節點(diǎn)向無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數據， 由于被監護者在病房或醫院內自由活動(dòng)， 所以其攜帶的傳感器節點(diǎn)的路由是動(dòng)態(tài)變化的， 無(wú)線(xiàn)傳感器終端節點(diǎn)與路由節點(diǎn)形成的是一個(gè)自動(dòng)跳變的多跳網(wǎng)絡(luò )。由于無(wú)線(xiàn)傳感器終端節點(diǎn)的室內通信距離為幾十米， 路由節點(diǎn)可根據病房的分布進(jìn)行布置， 以能夠最大程度地覆蓋活動(dòng)區域。因而該系統具有很大的靈活性及擴展性， 同時(shí)， 該系統可以方便地接入Internet 網(wǎng)絡(luò )， 形成更大的醫院間醫療監護網(wǎng)絡(luò )， 以實(shí)現醫療資源共享。

圖2 基于Zigbee 的病房監護系統結構

2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

4.2 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)軟件模塊設計

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器上電后首先對CC2430 進(jìn)行初始化， 然后建立一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。當有FFD 節點(diǎn)申請加入時(shí)， 為每一個(gè)FFD 節點(diǎn)分配地址。當需要進(jìn)行數據采集時(shí)， 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器發(fā)出數據采集指令， 之后等待接收采樣來(lái)的數據， 并將數據通過(guò)RS232 口上傳給上位PC 機處理。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)軟件流程如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)軟件流程圖

5 實(shí)驗驗證

系統綜合測試基本實(shí)現設計功能， 血壓傳感器節點(diǎn)采集到的數據通過(guò)Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )發(fā)送至監護PC機上， 由專(zhuān)業(yè)醫療人員對數據進(jìn)行統計分析， 進(jìn)而提出相應的醫療和護理方案。一次模擬3 個(gè)病人的血壓測量數據如表1 所示， 經(jīng)模擬測試， 系統數據采集功能正常，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息傳輸功能正常， 終端自動(dòng)入網(wǎng)和跳網(wǎng)功能能夠實(shí)現。

表1 模擬測試3 個(gè)終端的血壓測量數據

本文介紹了一種基于Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的病房監護系統， 分析研究了Zigbee 網(wǎng)絡(luò )的一般拓樸結構， 采用無(wú)線(xiàn)龍公司的LC2480 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)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(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的軟件設計流程圖， 最后進(jìn)行了模擬的網(wǎng)絡(luò )測試。系統具有很好的靈活性和可擴展性， 通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現遠程醫療監控和醫院間的信息資源共享。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計可以采用一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器組成， 隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展， 越來(lái)越多的公司將無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片和微控制器做成了一個(gè)片上系統， 設計中采用TI 公司的CC2430 。CC2430 芯片是一種采用8051 內核的Zigbee 無(wú)線(xiàn)單片機， 它包括一個(gè)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(gè)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(gè)定時(shí)器(Timer ) 、AES-128 安全協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer ) 、32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復位電路、掉電檢測電路和21 個(gè)可編程I/O 腳。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )處理器模塊設計采用無(wú)線(xiàn)龍公司的LC2480 網(wǎng)絡(luò )處理模塊，LC2480 網(wǎng)絡(luò )處理模塊采用了標準Zigbee 的CC2430 芯片， 內置了無(wú)線(xiàn)龍公司開(kāi)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 傳感器終端節點(diǎn)電路設計

傳感器終端節點(diǎn)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(diǎn)。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計時(shí)， 為了便于功能擴展， 預留了足夠的傳感器接口， 如果在實(shí)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(kāi)發(fā)相應的嵌入式控制軟件， 就可以直接加入無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )， 并進(jìn)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(lái)自傳感器的信號放大， 經(jīng)低通濾波和帶通濾波后得到壓力信號， 再經(jīng)主放大器放大和信號調理， 送入主控系統進(jìn)行相應處理。

4 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)軟件設計

4.1 路由FFD 節點(diǎn)軟件模塊設計

路由FFD 模塊上電后首先對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)調器發(fā)出的開(kāi)始采樣指令后開(kāi)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(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。其軟件流程如圖5所示。