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ZigBee在病房護理呼叫系統(tǒng)中的應用研究
來源:電子技術應用2011年第11期
滕志軍1,屈銀龍1,趙 雷2
(1.東北電力大學 信息工程學院,吉林 吉林132012; 2.吉化集團總醫(yī)院 介入科,吉林 吉林1
摘要: 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,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,克服了有線病房護理呼叫系統(tǒng)存在的弊端。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。
中圖分類號: TN92
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)11-0052-03
Application and study of ZigBee in ward nursing and calling system
Teng Zhijun1,Qu Yinlong1,Zhao Lei2
1.Department of Information Engineering, Northeast Dianli University,Jilin 132012,China; 2.Department of Intervention Therapy, General Hospital of the Jilin Chemical Group, Jilin 132022,China
Abstract: This paper proposes a ward nursing and calling system based ZigBee that has the function to obtain the physiological parameters and real-time care request of patients. The ward nursing and calling system overcome the drawbacks of wired system. Through the experiment, the ward nursing and calling system not only is stable and reliable but also has high availability and market value.
Key words : ZigBee;CC2430;ward calling;physiological parameters


    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
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