基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的病房監控系統設計

目前醫院中對病人輸液和血壓心跳等生理特征的監測大多采用人工進(jìn)行，且需病人配合，此類(lèi)日夜不停的監測任務(wù)加重了醫務(wù)人員與患者的負擔，特別是在晚上，更容易在昏昏欲睡時(shí)出現不應有的事故，這就導致了醫療監測的效率低下和一定程度的不安全性，造成了醫務(wù)人員不能及時(shí)得到相關(guān)數據、及時(shí)發(fā)現異常情況和缺乏輸液速度、結束提示等問(wèn)題。

針對以上問(wèn)題，本文設計了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、能對病人的狀態(tài)(包括病人的輸液狀況和病人心跳、血壓等數據)自動(dòng)進(jìn)行采集和傳輸的病房監控系統，實(shí)現了輸液和

血壓心跳等生理特征監測的自動(dòng)化、智能化。設計中采用重力傳感器監測輸液的液量、速度及輸液過(guò)程，采用生理傳感器檢測病人的血壓、心跳等生理特征，并實(shí)現了自動(dòng)測試、自動(dòng)報警等功能;系統中的數據傳輸采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，將各監測點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，定時(shí)將各個(gè)節點(diǎn)采集的信息通過(guò)自動(dòng)路由傳輸給控制臺中心機。在控制臺中心機上，自動(dòng)比較各項數據是否在正常范圍內，并及時(shí)對異常情況發(fā)出警報;控制臺中心機還能自動(dòng)發(fā)送病人特征數據定時(shí)監測指令給監測點(diǎn)，以便監測點(diǎn)做出相應的處置。這就大大降低了護理強度，減小了人為疏忽造成的醫療事故，從而極大地提高了醫療效率和質(zhì)量。

1 低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的系統架構

本文設計的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的病房監控系統中采用ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧支持網(wǎng)狀拓撲結構，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò )擁有很高的可靠性，廣闊的覆蓋范圍和簡(jiǎn)單的部署方式;采用ZigBee技術(shù)的另一個(gè)原因，是因為它是一種適合低速率、短距離數據傳輸，且功耗很低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，有3種邏輯設備類(lèi)型，它們分別是：協(xié)調器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設備(End-device)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )包括一個(gè)協(xié)調器以及多個(gè)路由器和終端設備。協(xié)調器包含所有的網(wǎng)絡(luò )消息，是3種設備類(lèi)型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標、建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò )、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息、尋找一對節點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。路由器能夠提供路由服務(wù)的網(wǎng)絡(luò )設備，能夠實(shí)現網(wǎng)絡(luò )數據包的轉發(fā)，路由設備也能夠充當終端節點(diǎn)使用，但是路由器不能夠進(jìn)入睡眠模式。終端設備是網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中的葉子節點(diǎn)，它們僅與它們的父節點(diǎn)相互通訊，并且不能夠提供路由服務(wù)。

設計的系統總體框架如圖1所示，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的監控服務(wù)系統，為一個(gè)分布式傳感網(wǎng)，包括控制臺中心機和輸液監控節點(diǎn)。圖中1為控制臺中心機，配置為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器。圖中2至n為輸液監控節點(diǎn)，對應無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的終端設備，也可作路由器?？刂婆_中心機可以與輸液監控節點(diǎn)直接通信，輸液監控節點(diǎn)問(wèn)也可通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號相互通信，當遠處

的監控節點(diǎn)或與監控中心間通信信號被屏蔽時(shí)，輸液監控節點(diǎn)可以通過(guò)同類(lèi)監控節點(diǎn)將其液面信號及病人生理信息傳輸至控制臺中心機。在一個(gè)病房監控系統中，控制臺中心機數量為1，輸液監控節點(diǎn)數可動(dòng)態(tài)配置。輸液監控節點(diǎn)間及控制臺中心機之間采用IEEE 802.X/Zigbee協(xié)議進(jìn)行通信。即1通過(guò)發(fā)送一個(gè)廣播信息將自己的身份廣播給周?chē)墓濣c(diǎn)，節點(diǎn)2至n將1的地址記錄在自已的地址表中，然后向1發(fā)送請求，表明自已要加入1建立的網(wǎng)絡(luò )中，如果1同意接收某個(gè)節點(diǎn)的數據，就給該節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認信息，節點(diǎn)2至n收到確認信息后以路由器的身份加入網(wǎng)絡(luò )，并且開(kāi)始以一定的間隔向1發(fā)送數據。

該系統的硬件實(shí)現采用了多個(gè)基于STM32W108(Cortex—M3內核)無(wú)線(xiàn)SOC芯片的節點(diǎn)板組成的ADK—STM32W—SK嵌入式無(wú)線(xiàn)通信開(kāi)發(fā)套件，節點(diǎn)板上內嵌了Zigbee PRO/IEEE 802.15.4協(xié)議棧，帶有射頻功放，并可選擇安裝多種傳感器。通過(guò)調用ZigBee PRO的專(zhuān)用軟件庫，即安裝EmberZNet棧軟件，提供創(chuàng )建ZigBee無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)所需的基本功能，就可以在應用層上進(jìn)行相應的開(kāi)發(fā)。

2 控制臺中心機的模塊設計實(shí)現

控制臺中心機核心模塊采用ARM Cortex—M3處理器，具有較高的性能和較低的動(dòng)態(tài)功耗，是專(zhuān)門(mén)針對微控制器應用開(kāi)發(fā)的主流ARM處理器?？刂婆_中心板上采用固定電源，上電后CPU進(jìn)行初始化，啟動(dòng)應用程序。根據ADK—STM32W—SK無(wú)線(xiàn)通信開(kāi)發(fā)套件所提供的軟件庫，建立基于ZigBee Pro協(xié)議棧的mesh網(wǎng)絡(luò )。由控制臺中心機負責發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標，建立安全有序的網(wǎng)絡(luò )，接收所有輸液結點(diǎn)上發(fā)送的信息，控制臺中心機可以與任意一個(gè)輸液監控節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)信號相關(guān)聯(lián)。除此之外，系統的控制臺中心機還應具備如下功能：

1)剩余輸液量或剩余輸液時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示;將各輸液點(diǎn)的殘余重量與門(mén)限值對比，預測該輸液點(diǎn)剩余輸液時(shí)間，對即將結束的輸液節點(diǎn)進(jìn)行報警;

2)病人生理狀態(tài)數據顯示;將病人生理狀態(tài)值與正常范圍對比，對于不正常的狀態(tài)發(fā)出聲光報警;

3)輸液節點(diǎn)工作狀態(tài)顯示及聲光提示;

4)應急召喚顯示及聲光提示;

5)控制臺信息歷史記錄等。

中心板配置有串口或USB轉串口可與PC的超級終端通信，從而可將調試和程序運行狀態(tài)以及輸液系統相關(guān)信息在PC的顯示器上顯示。

主程序運行包括如下幾個(gè)步驟：

1)初始化HAL;

2)開(kāi)中斷;

3)初始化串口;

4)檢查復位信息;

5)調用emberInit();

6)初始化應用程序狀態(tài);

7)設置安全密鑰;

8)新建或重建之前的網(wǎng)絡(luò );

9)進(jìn)入應用子程序所在的循環(huán)(流程框圖如圖2所示)，其中應用子程序的功能包括加入網(wǎng)絡(luò )計時(shí)，定時(shí)廣播，定時(shí)改變密鑰，檢查按鍵狀態(tài)，接收sensor傳送的數據進(jìn)行相關(guān)的處理和顯示等。

3 輸液監測節點(diǎn)的模塊設計實(shí)現

系統的監測節點(diǎn)采用的傳感器主要有3種：一是重力傳感器，位于掛鉤與輸液瓶之間，用于感知輸液瓶/袋及其藥水重量，產(chǎn)生于瓶重相關(guān)的電信號;二是體征感應單元，主要檢測病人的血壓心跳等生理特征，并轉換成電信號;三是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)傳感器，用于病人的應急傳呼。

系統的每個(gè)監測節點(diǎn)上都布置網(wǎng)絡(luò )終端設備，也作為路由器，負責接收傳感器信息并發(fā)送給控制臺中心機(中間可能經(jīng)過(guò)多級路由)。各個(gè)節點(diǎn)具有的主要功能如下：

1)輸液殘余液體重量及病人生理狀況檢測;由醫生根據病人用藥不同，為每個(gè)輸液終端設置報警門(mén)限;

2)應急呼叫響應;

3)輸液節點(diǎn)狀態(tài)信息的發(fā)送。每個(gè)輸液節點(diǎn)采用間歇睡眠方式，每隔數秒鐘計算輸液瓶及其所含藥水分量并檢測病人的生理狀態(tài)，并將該信息通過(guò)相應的路由最終傳送至控制臺中心機;

4)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )中的中繼節點(diǎn)。

5)輸液監控節點(diǎn)具有對電源進(jìn)行檢測的功能，當電池電量低于預設門(mén)限時(shí)，向控制臺中心預警，提示更換電池。

輸液監控點(diǎn)有兩種布局方式：

①低功耗方式：根據應用場(chǎng)景及已布局好的無(wú)線(xiàn)傳感器間信號強度，為每個(gè)傳感器節點(diǎn)設置固定的通信伙伴;

②智能工作方式：通過(guò)偵測無(wú)線(xiàn)信號強度，采用優(yōu)化算法實(shí)現動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的通信關(guān)系設置;

系統監測節點(diǎn)模塊硬件組成如圖3所示，包括微處理器(MCU)、電源、按鍵檢測電路，WiFi通信模塊和傳感器等組成。其中電源模塊為2節1.5 V電池，實(shí)現對系統供電;MCU為低功耗單片機，上電后初始化，對WiFi無(wú)線(xiàn)通信模塊進(jìn)行配置，對傳感器輸入數據進(jìn)行處理。檢測電路為簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路，用于病人的突發(fā)呼叫。WiFi通信模塊采用IEEE802.x /Zigbee協(xié)議，實(shí)現無(wú)線(xiàn)模塊間的組網(wǎng)及通信。

主機MCU為節點(diǎn)模塊的核心部分，負責與控制臺中心機的聯(lián)網(wǎng)通信，接收傳感器數據，進(jìn)行處理后在本地監視器上顯示或啟動(dòng)聲光提醒裝置，還需將相關(guān)數據發(fā)送給控制臺中心機，其上的主程序運行步驟與中心機基本相同，不過(guò)是以路由器是身份加入到中心機所建立的網(wǎng)路中。而其應用子程序所在的循環(huán)的流程框圖如圖4所示，其中應用子程序的主要功能在于準備好傳感器數據，然后通過(guò)與控制臺中心機的通信協(xié)議將數據發(fā)送給中心機。

4 節點(diǎn)自動(dòng)路由的設計

監控系統采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)都有兩個(gè)地址：一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò )短地址和一個(gè)64位IEEE擴展地址。其中16位網(wǎng)絡(luò )地址僅僅在網(wǎng)絡(luò )內部使用，用于路由機制和數據傳輸。這個(gè)地址是在節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)由其父節點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配的。當網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)允許一個(gè)新節點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)，它們之間就形成了父子關(guān)系。

當場(chǎng)景環(huán)境簡(jiǎn)單，通信信號強度較好時(shí)，控制臺中心機可以擔當路由器，作為根節點(diǎn)與輸液監控節點(diǎn)間進(jìn)行通信。

如果環(huán)境不理想，有部分輸液節點(diǎn)與中心機間無(wú)法直接建立聯(lián)系，但可以與其它節點(diǎn)連接時(shí)，應用動(dòng)態(tài)路由規劃，用多跳技術(shù)實(shí)現與中心機問(wèn)的通信。當所有的輸液監控節點(diǎn)均無(wú)法與中心機建立連接時(shí)，可以在合適的位置增加監測節點(diǎn)，將這些節點(diǎn)作為路由器或父節點(diǎn)，最終實(shí)現互聯(lián)互通。

5 結論

本系統的設計采用基于重力傳感器的輸液狀態(tài)信息反饋及定時(shí)的監控節點(diǎn)工作狀態(tài)監測機制;無(wú)論是控制臺中心機還是各個(gè)節點(diǎn)的核心MCU都采用單片機控制，應用IEEE80 2.X/Zigbee協(xié)議實(shí)現節點(diǎn)間及節點(diǎn)與控制臺中心機的可靠通信，節點(diǎn)也可直接與PC機進(jìn)行通信;具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)。

本設計利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將采集到的輸液數據和病人的生理信息傳輸到控制臺中心機，實(shí)現了對輸液醫療過(guò)程及病人生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控和異常情況報警，滿(mǎn)足了臨床輸液監控的需要，降低了醫務(wù)人員工作強度，提高了監護質(zhì)量，具有較好的臨床應用前景。