文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)11-0052-03
隨著醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)信息化進程的不斷推進,病房護理呼叫系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)院提高醫(yī)療護理服務質(zhì)量、提升醫(yī)護人員工作效率和減少醫(yī)療事故的重要基礎設施。目前,病房護理呼叫系統(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行布線安裝,病房護理呼叫系統(tǒng)存在著成本高、施工繁瑣、維護困難、移動性差、重復利用率低等弊端[1]。同時,由于病房護理呼叫系統(tǒng)缺乏對呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理功能,當醫(yī)護人員離開值班室時,就有可能貽誤病人的護理請求,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)絡在病房護理呼叫系統(tǒng)中的應用方案,旨在克服有線病房護理呼叫系統(tǒng)存在的弊端,解決病房護理信息實時交互的技術問題。
1 ZigBee技術
ZigBee是一種低功耗、低成本、低速率和低復雜度的雙向無線通信技術。ZigBee協(xié)議棧主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用層組成[2]。其中,物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準由IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組制定,網(wǎng)絡層和應用層由ZigBee聯(lián)盟制定。在網(wǎng)絡層,ZigBee聯(lián)盟制定了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡拓撲結構。根據(jù)設備在網(wǎng)絡中的角色,ZigBee定義了三種邏輯設備類型:ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 終端設備(ZigBee End Device)。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點不但可以支持多達31個傳感器和受控設備,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
病房護理呼叫系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡兩部分組成,其系統(tǒng)結構如圖1所示。
監(jiān)測中心主要由計算機和病房護理呼叫系統(tǒng)管理軟件組成,實現(xiàn)對呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理等功能。利用計算機上的病房護理呼叫系統(tǒng)管理軟件,醫(yī)護人員可以通過操作界面直觀、清晰地看到護理呼叫節(jié)點的地理位置和相關護理信息,從而提高醫(yī)療護理服務質(zhì)量、提升醫(yī)護人員工作效率和減少醫(yī)療事故[4]。
協(xié)調(diào)器是病房護理呼叫系統(tǒng)的核心設備,負責選擇系統(tǒng)工作信道和網(wǎng)絡標識符,建立基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的病房護理呼叫系統(tǒng)。當醫(yī)院每層樓較寬、病房較多時,ZigBee網(wǎng)絡中可以加入路由器節(jié)點。路由器節(jié)點放置在協(xié)調(diào)器和護理呼叫節(jié)點之間,負責允許其他護理呼叫節(jié)點加入網(wǎng)絡,支持多跳路由數(shù)據(jù)包的傳輸,從而更大限度地增加護理呼叫節(jié)點的數(shù)量、擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍。醫(yī)院病房區(qū)散布著大量的護理呼叫節(jié)點,它們是護理呼叫信息的發(fā)送裝置,上電后自動掃描設定的工作信道,嘗試找到一個已經(jīng)存在的病房護理呼叫網(wǎng)絡并加入其中。護理呼叫節(jié)點主要負責病人生理參數(shù)的定時采集和護理請求的實時采集,然后通過ZigBee網(wǎng)絡上傳給協(xié)調(diào)器,為醫(yī)療護理人員實施護理服務提供依據(jù)[5]。
3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 護理呼叫節(jié)點設計
護理呼叫節(jié)點是病房護理呼叫系統(tǒng)的基本單元,負責采集病人的生理數(shù)據(jù)和護理請求,并把最終數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器[6]。護理呼叫節(jié)點采用模塊化設計,主要包括:
(1)微處理器模塊:負責控制整個護理呼叫節(jié)點,采用Chipcon公司的CC2430,滿足ZigBee在2.4 GHz 工業(yè)科學醫(yī)學(ISM)波段對低成本、低功耗的要求。
(2)傳感器模塊:負責病人生理數(shù)據(jù)(體溫、脈搏、呼吸和血壓等)的定時采集。其中,壓力傳感器MPVX5050GP采集的脈沖分兩路接入CC2430進行分析處理,一路直接進行A/D轉換,得到靜壓信號數(shù)據(jù);另一路通過帶通濾波放大電路進行A/D轉換,得到放大的脈搏波信號數(shù)據(jù)。傳感器模塊硬件電路如圖2所示。
(3)按鍵模塊:負責實時檢測按鍵值,傳遞病人的護理請求信號,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速度,而且可以節(jié)省I/O口。
(4) 無線通信模塊:負責與ZigBee網(wǎng)絡協(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)。天線不但易于設計和實現(xiàn),而且方便整合到PCB板中。
(5)能量供應模塊:為護理呼叫節(jié)點提供運行所需的能量??紤]到護理呼叫節(jié)點的便攜性,采用3節(jié)5號干電池供電,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,在低耗電待機模式下,3節(jié)普通5號干電池至少可使用6個月,從而免去了病人頻繁更換電池的麻煩。
3.2 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器設計
ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器集成了網(wǎng)關和協(xié)調(diào)器的雙重功能。一方面通過ZigBee網(wǎng)絡與護理呼叫節(jié)點通信;另一方面通過RS232接口與監(jiān)測中心的PC機連接,執(zhí)行PC機的命令并做出相應的響應。
ZigBee網(wǎng)絡協(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電平轉換芯片采用SP3232EEA,實現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉換。
4 軟件設計
4.1 系統(tǒng)管理軟件設計
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)庫實現(xiàn)了病房護理呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理。系統(tǒng)管理軟件接收和處理通過ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器傳送的合法信息,并且在數(shù)據(jù)庫中按照預先定義好的表的形式對病房護理呼叫信息進行組織管理。醫(yī)護人員可以通過系統(tǒng)管理軟件界面查詢患者的病房號、床位號以及護理等級等信息,同時可以查詢護理呼叫節(jié)點采集的護理請求和生理參數(shù)等信息,并且能夠設置生理數(shù)據(jù)的報警閾值[9]。系統(tǒng)管理軟件組成如圖5所示。
4.2 病房護理呼叫系統(tǒng)軟件設計
病房護理呼叫系統(tǒng)的軟件主要由μC/OS-II操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應用控制程序組成[10]。μC/OS-II內(nèi)核提供了簡單高效的任務管理、時間管理、任務間通信同步和內(nèi)存管理等功能。μC/OS-II可以使各個任務獨立執(zhí)行,互不干涉,很容易實現(xiàn)準時而且無誤執(zhí)行,使實時應用程序的設計和擴展變得容易,使應用程序的設計過程大為簡化。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、擴展性強等特點。應用控制程序負責執(zhí)行控制命令等功能??傮w程序流程如圖6所示。
5 實驗結果及分析
5.1 系統(tǒng)參數(shù)設置
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡采用樹型網(wǎng)絡拓撲結構,最大深度(Lm)為5,每個父節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)(Rm)為17。系統(tǒng)工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段,有16個速率為250 Kb/s的信道可供選擇[11]。為了避免WiFi對系統(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 呼叫請求測試
為了模擬真實的病房呼叫請求,通過隨機按下護理呼叫節(jié)點的按鍵來測試系統(tǒng)的可靠性。測試結果如表1所示。其中,d表示ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與護理呼叫節(jié)點的距離,T表示護理呼叫節(jié)點的呼叫請求次數(shù),R表示ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器成功接收護理呼叫節(jié)點的呼叫請求的次數(shù)。
分析測試結果可以發(fā)現(xiàn),當d≤25 m時,ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可以準確地接收護理呼叫節(jié)點的呼叫請求,基本滿足病房護理的要求。
5.3 血壓采集測試
為了驗證護理呼叫節(jié)點采集的血壓數(shù)據(jù)的可靠性和有效性,采用反復對比和多次重復的方法進行測試。在同一時期對同一測試者分別使用護理呼叫節(jié)點和水銀血壓計進行血壓測量,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,護理呼叫節(jié)點與水銀血壓計的血壓測量結果基本一致。收縮壓誤差范圍≤4 mmHg,舒張壓誤差范圍≤4 mmHg。因此,護理呼叫節(jié)點測量的血壓數(shù)據(jù)可以作為臨床診斷的依據(jù)。
病房護理呼叫系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡為核心,充分利用了ZigBee技術低功耗、自組網(wǎng)和動態(tài)路由的特點,實現(xiàn)了病人生理參數(shù)的定時采集和護理請求的實時采集,滿足了醫(yī)院病房護理工作的現(xiàn)實需求。通過實際測試,系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,具有較高的市場價值。
參考文獻
[1] 石建國,馬云輝.支持移動響應的ZigBee網(wǎng)絡無線呼叫系統(tǒng)[J].自動化與儀表,2010(8).
[2] 雷震洲.支持M2M應用的無線網(wǎng)絡技術及發(fā)展[J].電信科學,2004(11).
[3] 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:20-23.
[4] 尹娟.基于ZigBee協(xié)議的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設備,2010(11).
[5] 董大鵬,唐曉英,劉偉峰,等.無線傳感器網(wǎng)絡技術在醫(yī)療監(jiān)護中的應用[J].電子技術應用,2008,33(10).
[6] 馬小鐵,李凱.無線傳感器網(wǎng)絡技術在人體參數(shù)采集中的應用[J].微型機與應用,2010,26(10).
[7] 郁麗,郭勇,賴武剛,等.生命狀態(tài)遠程監(jiān)視及定位系統(tǒng)的研究[J].電信科學,2010(3).
[8] 寧炳武,劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J]. 電子技術應用,2008,33(3).
[9] 周翔,丁珠玉,周勝靈,等.嵌入式ZigBee遠程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].西南大學學報(自然科學版),2011(3).
[10] 朱向軍,應亞萍,應紹棟,等.基于ZigBee和WLAN的智能家居系統(tǒng)的設計[J].電信科學,2009(6).
[11] 張利鋒.基于ZigBee的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].金陵科技學院學報,2011(1):5-8.