摘  要： 介紹了一種基于Zigbee技術(shù)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先分析了Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)，然后介紹了一種基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，采用LC2480無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)了無線終端的設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖，最后進(jìn)行了模擬測試研究。該系統(tǒng)在醫(yī)院內(nèi)和醫(yī)院間的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 病房監(jiān)護(hù)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；Zigbee；節(jié)點(diǎn)

    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(hù)網(wǎng)絡(luò)可以減少醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，提高醫(yī)護(hù)人員工作效率和服務(wù)質(zhì)量。傳統(tǒng)的解決方案是采用有線或簡單的無線數(shù)據(jù)收發(fā)方式，被監(jiān)護(hù)者身上安裝的傳感器設(shè)備不能自由靈活地移動和接入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)沒有可擴(kuò)展性。采用Zigbee技術(shù)為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案，Zigbee節(jié)點(diǎn)可以覆蓋幾十米的范圍，而且可以自由地增加路由節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)展覆蓋范圍，非常適用于局域型醫(yī)院住院護(hù)理。由于生理監(jiān)護(hù)的數(shù)據(jù)傳輸量不大，Zigbee的250 kb/s的傳輸速率能夠滿足生理數(shù)據(jù)的傳輸要求。Zigbee傳感節(jié)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無線傳感網(wǎng)絡(luò)在局域型的醫(yī)護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。
1 基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
1.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)
    Zigbee是一種近距離無線網(wǎng)絡(luò)連接[1]，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(jié)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(biāo)準(zhǔn)。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，有三種主要的網(wǎng)絡(luò)拓樸，分別是星狀、樹狀和網(wǎng)狀，如圖1所示。

    根據(jù)功能不同，無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)（Coordinator）、路由器節(jié)點(diǎn)(Router)和終端節(jié)點(diǎn)(End Device)，在圖1中以不同的形狀表示，每個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)都由具有無線收發(fā)功能的無線單片機(jī)CC2430[2]組成，在無線單片機(jī)內(nèi)部安裝有Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)中，每個(gè)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)必須有一個(gè)唯一的協(xié)調(diào)者節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)時(shí)序管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、存儲網(wǎng)絡(luò)地圖、允許其他設(shè)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(jié)點(diǎn)，任何時(shí)刻都必需打開無線收發(fā)功能，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中有著非常重要的作用。
1.2 病房監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
    基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[3-5]主要由各病房內(nèi)部具有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集功能的Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)、以病房為單位的若干個(gè)具有路由功能的無線節(jié)點(diǎn)和院內(nèi)Zigbee中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)，是整個(gè)醫(yī)院無線網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)的管理，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中ZR為具有路由功能的FFD節(jié)點(diǎn)，ZE為無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過各路由節(jié)點(diǎn)向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，由于被監(jiān)護(hù)者在病房或醫(yī)院內(nèi)自由活動，所以其攜帶的傳感器節(jié)點(diǎn)的路由是動態(tài)變化的，無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)形成的是一個(gè)自動跳變的多跳網(wǎng)絡(luò)。由于無線傳感器終端節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)通信距離為幾十米，路由節(jié)點(diǎn)可根據(jù)病房的分布進(jìn)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(kuò)展性，同時(shí)，該系統(tǒng)可以方便地接入Internet網(wǎng)絡(luò)，形成更大的醫(yī)院間醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源共享。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)可以采用一個(gè)無線收發(fā)芯片和一個(gè)微控制器組成，隨著技術(shù)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(gè)片上系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中采用TI公司的CC2430。CC2430芯片是一種采用8051內(nèi)核的Zigbee無線單片機(jī)，它包括一個(gè)高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)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(nèi)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(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器（Timer）、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)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(shè)計(jì)采用無線龍公司的LC2480網(wǎng)絡(luò)處理模塊，LC2480網(wǎng)絡(luò)處理模塊采用了標(biāo)準(zhǔn)Zigbee的CC2430芯片，內(nèi)置了無線龍公司開發(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。

3 傳感器終端節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)
    傳感器終端節(jié)點(diǎn)主要完成各種生理數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中要求具有體積小、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，為了便于功能擴(kuò)展，預(yù)留了足夠的傳感器接口，如果在實(shí)際使用中需要功能擴(kuò)展，只要接入相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集傳感器，開發(fā)相應(yīng)的嵌入式控制軟件，就可以直接加入無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。圖4給出了一種血壓傳感器接口電路的設(shè)計(jì)方案框圖，根據(jù)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(diǎn)。

    由傳感器采樣袖帶內(nèi)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(yīng)的位置，從而得到數(shù)據(jù)。將來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(diào)理，送入主控系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)處理。
4 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
4.1 路由FFD節(jié)點(diǎn)軟件模塊設(shè)計(jì)
    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(diào)器發(fā)出的開始采樣指令后開始采樣數(shù)據(jù)，并利用CC2430自帶的A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。其軟件流程如圖5所示。
4.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件模塊設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上電后首先對CC2430進(jìn)行初始化，然后建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有FFD節(jié)點(diǎn)申請加入時(shí)，為每一個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)分配地址。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令，之后等待接收采樣來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過RS232口上傳給上位PC機(jī)處理。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    系統(tǒng)綜合測試基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，血壓傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)護(hù)PC機(jī)上，由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，進(jìn)而提出相應(yīng)的醫(yī)療和護(hù)理方案。一次模擬3個(gè)病人的血壓測量數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)模擬測試，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能正常，無線網(wǎng)絡(luò)信息傳輸功能正常，終端自動入網(wǎng)和跳網(wǎng)功能能夠?qū)崿F(xiàn)。

      本文介紹了一種基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，分析研究了Zigbee網(wǎng)絡(luò)的一般拓樸結(jié)構(gòu)，采用無線龍公司的LC2480無線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)無線終端的設(shè)計(jì)，研究了傳感器終端的接口電路設(shè)計(jì)，給出了路由終端和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)流程圖，最后進(jìn)行了模擬的網(wǎng)絡(luò)測試。系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性，通過Internet網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控和醫(yī)院間的信息資源共享。
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