隨著醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)院提高醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量、提升醫(yī)護(hù)人員工作效率和減少醫(yī)療事故的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的種類很多，多數(shù)采用有線通信方式。由于采用有線線纜方式進(jìn)行布線安裝，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在著成本高、施工繁瑣、維護(hù)困難、移動(dòng)性差、重復(fù)利用率低等弊端[1]。同時(shí)，由于病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)缺乏對(duì)呼叫信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和管理功能，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員離開值班室時(shí)，就有可能貽誤病人的護(hù)理請(qǐng)求，給病人和醫(yī)院造成不可挽回的損失。鑒于現(xiàn)有病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在的弊端和問題，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，旨在克服有線病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在的弊端，解決病房護(hù)理信息實(shí)時(shí)交互的技術(shù)問題。
1 ZigBee技術(shù)
    ZigBee是一種低功耗、低成本、低速率和低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議棧主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[2]。其中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee聯(lián)盟制定了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，ZigBee定義了三種邏輯設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 終端設(shè)備(ZigBee End Device)。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不但可以支持多達(dá)31個(gè)傳感器和受控設(shè)備，而且可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量[3]。
2 系統(tǒng)組成和工作原理
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    監(jiān)測中心主要由計(jì)算機(jī)和病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)管理軟件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)呼叫信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和管理等功能。利用計(jì)算機(jī)上的病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)管理軟件，醫(yī)護(hù)人員可以通過操作界面直觀、清晰地看到護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的地理位置和相關(guān)護(hù)理信息，從而提高醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量、提升醫(yī)護(hù)人員工作效率和減少醫(yī)療事故[4]。
    協(xié)調(diào)器是病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)工作信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，建立基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)。當(dāng)醫(yī)院每層樓較寬、病房較多時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以加入路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)放置在協(xié)調(diào)器和護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)之間，負(fù)責(zé)允許其他護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，支持多跳路由數(shù)據(jù)包的傳輸，從而更大限度地增加護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。醫(yī)院病房區(qū)散布著大量的護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)，它們是護(hù)理呼叫信息的發(fā)送裝置，上電后自動(dòng)掃描設(shè)定的工作信道，嘗試找到一個(gè)已經(jīng)存在的病房護(hù)理呼叫網(wǎng)絡(luò)并加入其中。護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)病人生理參數(shù)的定時(shí)采集和護(hù)理請(qǐng)求的實(shí)時(shí)采集，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳給協(xié)調(diào)器，為醫(yī)療護(hù)理人員實(shí)施護(hù)理服務(wù)提供依據(jù)[5]。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)是病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的基本單元，負(fù)責(zé)采集病人的生理數(shù)據(jù)和護(hù)理請(qǐng)求，并把最終數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[6]。護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：
    (1)微處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個(gè)護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)，采用Chipcon公司的CC2430，滿足ZigBee在2.4 GHz 工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(ISM)波段對(duì)低成本、低功耗的要求。
    (2)傳感器模塊：負(fù)責(zé)病人生理數(shù)據(jù)(體溫、脈搏、呼吸和血壓等)的定時(shí)采集。其中，壓力傳感器MPVX5050GP采集的脈沖分兩路接入CC2430進(jìn)行分析處理，一路直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到靜壓信號(hào)數(shù)據(jù)；另一路通過帶通濾波放大電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到放大的脈搏波信號(hào)數(shù)據(jù)。傳感器模塊硬件電路如圖2所示。
    (3)按鍵模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測按鍵值，傳遞病人的護(hù)理請(qǐng)求信號(hào)，其硬件電路如圖3所示。按鍵模塊直接掛到CC2430的I/O口上，按鍵值通過電阻和分壓判斷。采用ADC讀取電平方式，不但具有很快的響應(yīng)速度，而且可以節(jié)省I/O口。

    (4) 無線通信模塊：負(fù)責(zé)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線通信、交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。天線采用單極子諧振天線，長度為電子波長的四分之一（λ/4）。天線不但易于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而且方便整合到PCB板中。
    (5)能量供應(yīng)模塊：為護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量?？紤]到護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的便攜性，采用3節(jié)5號(hào)干電池供電，通過低壓差穩(wěn)壓芯片AMS1117_3.3為CC2430提供直流3.3 V工作電壓[7]。由于ZigBee的功耗極低，在低耗電待機(jī)模式下，3節(jié)普通5號(hào)干電池至少可使用6個(gè)月，從而免去了病人頻繁更換電池的麻煩。
3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器集成了網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器的雙重功能。一方面通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)通信；另一方面通過RS232接口與監(jiān)測中心的PC機(jī)連接，執(zhí)行PC機(jī)的命令并做出相應(yīng)的響應(yīng)。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要由處理器模塊、串行接口模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊等組成[8]，其組成如圖4所示。其中，微處理器采用Chipcon公司的CC2430，RS232電平轉(zhuǎn)換芯片采用SP3232EEA，實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)
    在Power Buider 11.5環(huán)境下開發(fā)的系統(tǒng)管理軟件，利用Access2003數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了病房護(hù)理呼叫信息的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和管理。系統(tǒng)管理軟件接收和處理通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送的合法信息，并且在數(shù)據(jù)庫中按照預(yù)先定義好的表的形式對(duì)病房護(hù)理呼叫信息進(jìn)行組織管理。醫(yī)護(hù)人員可以通過系統(tǒng)管理軟件界面查詢患者的病房號(hào)、床位號(hào)以及護(hù)理等級(jí)等信息，同時(shí)可以查詢護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采集的護(hù)理請(qǐng)求和生理參數(shù)等信息，并且能夠設(shè)置生理數(shù)據(jù)的報(bào)警閾值[9]。系統(tǒng)管理軟件組成如圖5所示。

4.2 病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的軟件主要由μC/OS-II操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用控制程序組成[10]。μC/OS-II內(nèi)核提供了簡單高效的任務(wù)管理、時(shí)間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。μC/OS-II可以使各個(gè)任務(wù)獨(dú)立執(zhí)行，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)過程大為簡化。ZigBee協(xié)議棧采用完全符合ZigBee 2006規(guī)范的TI Z-Stack，具有層次分明、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。應(yīng)用控制程序負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令等功能?？傮w程序流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
5.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大深度（Lm）為5，每個(gè)父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)（Rm）為17。系統(tǒng)工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，有16個(gè)速率為250 Kb/s的信道可供選擇[11]。為了避免WiFi對(duì)系統(tǒng)的干擾，可以使用4（2.425 GHz）、9（2.450 GHz）、14(2.475 GHz)、15（2.480 GHz）信道。
5.2 呼叫請(qǐng)求測試
    為了模擬真實(shí)的病房呼叫請(qǐng)求，通過隨機(jī)按下護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的按鍵來測試系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果如表1所示。其中，d表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的距離，T表示護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請(qǐng)求次數(shù)，R表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器成功接收護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請(qǐng)求的次數(shù)。

    分析測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d≤25 m時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以準(zhǔn)確地接收護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請(qǐng)求，基本滿足病房護(hù)理的要求。
5.3 血壓采集測試
    為了驗(yàn)證護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采集的血壓數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，采用反復(fù)對(duì)比和多次重復(fù)的方法進(jìn)行測試。在同一時(shí)期對(duì)同一測試者分別使用護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)和水銀血壓計(jì)進(jìn)行血壓測量，采集的血壓數(shù)據(jù)如表2所示。

    通過分析測試數(shù)據(jù)可知，護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)與水銀血壓計(jì)的血壓測量結(jié)果基本一致。收縮壓誤差范圍≤4 mmHg，舒張壓誤差范圍≤4 mmHg。因此，護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)測量的血壓數(shù)據(jù)可以作為臨床診斷的依據(jù)。
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，充分利用了ZigBee技術(shù)低功耗、自組網(wǎng)和動(dòng)態(tài)路由的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了病人生理參數(shù)的定時(shí)采集和護(hù)理請(qǐng)求的實(shí)時(shí)采集，滿足了醫(yī)院病房護(hù)理工作的現(xiàn)實(shí)需求。通過實(shí)際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的市場價(jià)值。
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