基于ZigBee技術(shù)的醫院監控系統

摘要：為了實(shí)現對醫院監控系統的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊，提出了基于ZigBee技術(shù)的醫院監控系統。其利用了ZigBee技術(shù)低功耗，低成本，時(shí)延短，可使用免費特定頻段，高保密的特點(diǎn)，通過(guò)硬件設計和軟件仿真，驗證了該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通訊系統具有優(yōu)秀的無(wú)線(xiàn)通訊效果及可操作性，且該系統相對基于其他無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )，將有更大網(wǎng)絡(luò )容量，可管理更多終端節點(diǎn)，這擴大了醫院監控范圍，可大大提高醫院的醫療管理效率。

傳統醫院監控系統采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )監視，通過(guò)RS-485或其他有線(xiàn)方式連接到主機上。這樣的監控系統必須在醫院病房及走廊上進(jìn)行線(xiàn)路布置，且監控節點(diǎn)需固定在某個(gè)位置上，不能帶出病房，在系統出現故障時(shí)維護困難。

如今醫院監控系統正利用無(wú)線(xiàn)通訊方式的及時(shí)性和移動(dòng)性，結合醫療管理系統建立無(wú)線(xiàn)監控系統，使對病房的監控(包括病人體溫監控及病人的呼叫監控)處于計算機網(wǎng)絡(luò )系統管理之下，從而及時(shí)應答病人請求。

目前主要流行的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)包含了IrDA紅外線(xiàn)技術(shù)，藍牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)等。IrDA紅外線(xiàn)技術(shù)屬于半雙工通訊方式，使用上不便且失誤率較高。而藍牙技術(shù)成本較高，網(wǎng)絡(luò )容量有限，不適于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數較多的醫院監控系統。而ZigBee作為新型無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)簡(jiǎn)單，低功耗，低成本，很適合用來(lái)實(shí)現小范圍的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，另外，還可以通過(guò)增加網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)數來(lái)解決ZigBee網(wǎng)絡(luò )遠距離通訊的問(wèn)題。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是當今流行的短距離，低速率的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙技術(shù)之間的技術(shù)。它基于IEEE802.15.4，是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)(PAN)工作組的一項標準。

ZigBee依托于一個(gè)個(gè)獨立工作節點(diǎn)，利用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，通過(guò)自組織的方式組成星型，樹(shù)型及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構?？紤]降低系統成本，IEEE 802.15.4定義了兩種物理設備類(lèi)型：全功能設備FFD和精簡(jiǎn)功能設備RFD。FFD節點(diǎn)具有控制器的功能，以提供數據交換，可以作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)使用，可以和網(wǎng)絡(luò )中任何類(lèi)型的設備通信;RFD智能作為終端節點(diǎn)使用。

ZigBee的特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)如下：

1)低功耗：兩節五號電池可供網(wǎng)絡(luò )使用六個(gè)月至兩年左右的時(shí)間，這是其突出優(yōu)勢，相比之下，藍牙可以工作數周，而wifi工作數小時(shí)。

2)可靠。采用碰撞避免機制;節點(diǎn)模塊間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能，信息在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中通過(guò)自動(dòng)路由方式進(jìn)行傳輸，從而有效保證了信息傳輸的可靠性。

3)成本低：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議降低成本，ZigBee協(xié)議專(zhuān)利免費。

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

5)網(wǎng)絡(luò )容量大：ZigBee的三種網(wǎng)絡(luò )(星型，樹(shù)型，網(wǎng)狀)由一個(gè)主節點(diǎn)來(lái)管理若干個(gè)子節點(diǎn)，而一個(gè)主節點(diǎn)最多管理254個(gè)子節點(diǎn)。與此同時(shí)，主節點(diǎn)還可以由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，因此最多可支持達65000個(gè)節點(diǎn)。

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

7)免執照頻段：采用全球統一的工業(yè)科學(xué)醫療2.4 Hz頻段。

2 基于ZigBee技術(shù)無(wú)線(xiàn)醫院監控網(wǎng)絡(luò )組建

2.1 醫院監控網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的選擇

ZigBee支持包辦有主從設備的星型，樹(shù)型，網(wǎng)狀拓撲結構。星型拓撲網(wǎng)絡(luò )結構中有一個(gè)中央協(xié)調器)和若干個(gè)從設備(終端節點(diǎn))，所有的終端節點(diǎn)智能與協(xié)調器進(jìn)行通信，適應于小范圍網(wǎng)絡(luò )系統使用。樹(shù)型拓撲網(wǎng)絡(luò )結構也是由一個(gè)中央控制器(網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器)和若干終端節點(diǎn)組成，在控制器與終端節點(diǎn)間由由路由器連接眾多星型網(wǎng)絡(luò )，可以說(shuō)是利用路由器的星型網(wǎng)絡(luò )結構的擴充，適合分布范圍較大的應用場(chǎng)合。網(wǎng)狀拓撲結構中任何設備都可以與它所涵蓋的無(wú)線(xiàn)通信范圍內的其他設備進(jìn)行通信，結構較為復雜。而針對醫院病房比較集中，且范圍有限的特點(diǎn)，根據ZigBee標準說(shuō)明，室內環(huán)境一般可以達到30多米的覆蓋范圍，所以對于一般醫院病房區足夠，星型拓撲結構較為合適，又其具有簡(jiǎn)潔和低功耗特點(diǎn)，所以醫院無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )系統采用星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統。

2.2 醫院無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )的組建

醫院無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )系統設置一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(FFD)與若干個(gè)終端節點(diǎn)(RFD)節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器設置在醫院監控室中，負責建立和管理網(wǎng)絡(luò )，并顯示當前網(wǎng)絡(luò )狀況以及將接受信息發(fā)送至計算機中。終端節點(diǎn)(RFD)分布在各個(gè)病房?jì)?，負責采集病房溫度及設置在病房?jì)鹊暮艚邪存I值，并周期性地將采集的信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。系統圖如圖1所示。

3 系統硬件及基本電路設計

3.1 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(FFD)的組成

此醫院無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )系統網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(FFD)由CC2430，串口部分，按鍵以及液晶組成，用來(lái)顯示當前病房的狀態(tài)。結構圖如圖2所示。

CC2430是由Chipcon公司生產(chǎn)的系統芯片，其延用了CC2420芯片結構，在單個(gè)芯片上面包含了ZigBee射頻(RF)前端，內存以及微控制器。它使用一個(gè)8位的MCU(8051)，具有128KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含了數模轉換器，4個(gè)定時(shí)器，AES-128安全協(xié)處理器，看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)，32 kHz晶振休眠模式定時(shí)器，上點(diǎn)復位電路，掉電檢測電路，和21個(gè)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(lái)顯示當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(pán)，可節省I/O口數量。其中SIP3223芯片即FAN3223芯片，SIP封裝，是一塊雙路4 A高速，低側柵極驅動(dòng)器。

3.2 終端節點(diǎn)(RFD)的構建

ZigBee節點(diǎn)由微控制器模塊，存儲器，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，電源模塊，傳感器模塊及其他外設組成。終端節點(diǎn)(RFD)設置在每個(gè)病床旁，與病人的手持終端相連，該節點(diǎn)可以檢測自己所處環(huán)境溫度，并且可以?huà)呙璋存I值，然后將檢測到的溫度值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送至主機。其中增加的串口擴展接口可通過(guò)外接RS-232(異步傳輸標準接口)模塊將數據傳至計算機。原理框圖如圖3所示。

3.3 終端節點(diǎn)(RFD)中傳感器的選擇

本系統使用的傳感器為T(mén)C77.它SPI串行接口的溫度傳感器，尺寸小，成本低，使用方便，是多種系統溫度管理的理想選擇。TC77所檢測的溫度數據通過(guò)其內部的溫度敏感元件轉換獲得，可以隨時(shí)轉化為13位的二進(jìn)制補碼數字?？梢酝ㄟ^(guò)SPI及Microwire可兼容接口與TC77完成通信。

4 軟件實(shí)現過(guò)程

4.1 初始化

4.1.1 網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器初始化

網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器首先初始化CC2430和液晶，程序方面初始化協(xié)議棧.并且打開(kāi)中斷。然后開(kāi)始格式化一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，可以通過(guò)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(guò)串口57600，8，N，1在串口調試助手里可以看到網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的物理地址，所建立網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )頻道號和ID號等信息。

4.1.2 終端節點(diǎn)(RFD)初始化

終端節點(diǎn)(RFD)程序中同樣初始化CC2430，之后打開(kāi)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，等待主機的響應，同時(shí)給主機分配網(wǎng)絡(luò )地址。

4.1.3 新節點(diǎn)建立

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

4.2 工作過(guò)程

終端節點(diǎn)(RFD)周期性采集溫度值和掃描按鍵值，并將檢測數據打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，然后等待接收應答。如果發(fā)送成功，則終端節點(diǎn)(RFD)回到空閑狀態(tài)，否則終端節點(diǎn)(RFD)重新采集數據再次發(fā)送至網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器直到成功。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器接收到數據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(yè)面上則會(huì )顯示“HELP ME!”，此時(shí)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器上的下鍵清除顯示的求助信號。

5 結束語(yǔ)

基于ZigBee技術(shù)的醫院監控系統充分利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)性和及時(shí)性，使醫院處于計算機網(wǎng)絡(luò )管理之下，節省了架線(xiàn)，方便了醫護之間的通訊，勢必會(huì )在未來(lái)醫院系統中發(fā)揮重大作用。