基于ZigBee無線網的醫院急救設備系統的設計

朱俊，侯君子，李曉妍，李姜輝，王力，蓋淑萍，伍洪，黃華

1.中國人民解放軍第三零九醫院 a.醫學工程科；b.移植ICU，北京 100091；2.約克大學 電子系，北約克郡 黑斯林頓區 YO10 5DD；3.中國科學院大學，北京 100190；4.中國科學院電子學研究所，北京 100190

基于ZigBee無線網的醫院急救設備系統的設計

朱俊1a，侯君子1b，李曉妍1a，李姜輝2，王力3,4，蓋淑萍3,4，伍洪1a，黃華1a

1.中國人民解放軍第三零九醫院 a.醫學工程科；b.移植ICU，北京 100091；2.約克大學 電子系，北約克郡 黑斯林頓區 YO10 5DD；3.中國科學院大學，北京 100190；4.中國科學院電子學研究所，北京 100190

0 前言

醫院急救設備是指急救醫學中直接搶救患者或為患者提供生命支持的設備[1]，在醫院搶救病人方面發揮著至關重要的作用。急救設備急救的內容主要包括：心、肺、腦的復蘇，急性創傷，多器官功能的衰竭，急性中毒等。相應的急救設備包括呼吸機或簡易呼吸器、氧氣瓶，除顫儀、心電監護儀，輸液泵、注射泵，負壓吸引器，全自動洗胃機等[2]。如何順利保障急救設備的正常使用，開展醫療設備的科學管理，進而保障醫院急救設備的高效利用，充分發揮醫療設備的使用效能，已成為醫院設備管理方面的重要內容。

在國外尤其是西方國家，急救系統已經十分成熟，大部分國家都成立了急救醫療中心/系統（EMS）。日本EMS由當地政府消防部門指揮，是一個緊密聯系的系統，主要分為3級：一級急救、標準級急救和最高級急救。緊急級別依次上升，最高級急救要求急救人員具備全科急救技能和十分熟練的急救設備操作技能。目前，隨著分類傷情119急救的發展，日本一些區域探索出了用于轉運微創傷口病人的私人服務中心和分支機構的模式[3]。

國內傳統急救設備局限在急診科或重癥監護室內，而大部分術后患者會轉到普通病房，這時急救設備則需配置到該患者的床旁，從而造成急救設備流轉不暢或救后設備閑置，造成醫療資源的巨大浪費和過高的維護成本[4-5]。管理上采用人工登記等初級管理模式，容易出現管理松懈，數據記錄不準確、不及時等問題。目前常見的條碼化管理容易出現條碼磨損、需接觸掃描識別，無法有效、快速讀取設備信息等缺點。

本文基于ZigBee無線網技術設計了一種醫院急救設備系統，用于實時監測急救設備的使用情況，進行科學調度，確保急救設備保持最佳狀態，為搶救病人提供設備和技術支撐。

1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種低功耗、低成本、近距離、低復雜度、低傳輸率的雙向無線通信技術或無線網絡技術。ZigBee基于IEEE802.15.4無線網絡通信技術標準，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。可工作在3個頻段：868 MHz/915 MHz/2.4 GHz，分別具有最高20/40/250 kbit/s的傳輸速率，常用頻段為2.4 GHz。

ZigBee網絡有3種拓撲結構：樹形、星形和網形。由一個主節點管理若干子節點，一個主節點最多可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成具有65000個節點的大網[6]。帶有路由的可自動組網功能，使ZigBee網絡快速、靈活、可靠、安全。

目前，實現ZigBee方案的核心芯片提供商主要有Jennic的JN5121芯片、Chipcon的SoC解決方案CC2530芯片、Ember的EM250ZigBee系統晶片及EM260網絡處理器、Freescale的MC1319X平臺等。本系統選用CC2530芯片。

2 系統總體結構

基于ZigBee無線網的醫院急救設備系統主要分為3個模塊：基于ZigBee的終端節點、路由器和協調器。系統總體結構框圖，見圖1。

急救設備投入科室使用時，設備的RFID電子標簽含有的設備基本信息、計時收費模塊進行的計時計價信息、技術支持模擬電話信息等參數通過傳感器被采集或讀出；再經過信號放大、A/D轉換后，由CC2530模塊DA通道處理并按照ZigBee協議打包發送出去；再通過ZigBee網絡實現信號的傳輸和接收，之后由協調器進行處理。

系統主要可實現3大功能：設備身份射頻識別、計時收費顯示、設備技術支持電話和報警。同時考慮功能拓展性，預留設備的其他功能模塊如新增設備定位模塊等，以便根據設備控制中心管理者對設備技術參數的關注度，靈活地實現網絡控制。

3 系統硬件

圖1 系統總體結構

終端節點，又稱終端模塊，主要包括各類傳感器和信息讀寫設備，完成對設備的信號采集和發送。路由器，又稱路由器節點或中繼器，主要完成數據的存儲、轉發和路由選取功能，此模塊也可省略，由協調器直接實現，但考慮系統整體拓展性和靈活性，可保留，還可作為定位參考點。協調器模塊，又稱控制中心，主要包括中央數據庫、上位機或PC機，完成對接收數據的處理。

3.1 ZigBee通信模塊

采用德州儀器公司（TI）生產的CC2530芯片。它是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE協議的片上系統（SoC）解決方案，能夠以低成本、低功耗、靈活快速組網的優勢建立起強大的網絡節點。CC2530芯片結合了領先的RF收發器的優良性能，具有高速低耗的8051 CPU、系統內可編程閃存、8KB RAM和強大的外設支持功能，支持芯片無線下載[6-7]。

CC2530芯片低功耗是通過5種不同電源模式的切換來實現的。這5種電源模式是：活動模式、空閑模式、PM1模式、PM2模式和PM3模式。系統采用間歇工作方式，大部分時間處于PM3低功耗狀態[7]。運行模式之間的轉換時間十分短，進一步確保了低能源消耗。

CC2530芯片的集成度非常高，只需要天線和晶振等非常少的外圍匹配電路就能滿足無線網絡通信需求。其中，供電范圍為2～3.6 V，工作電壓取3.3 V；主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振以及32.768 kHz時鐘晶振；無線RF模塊外圍電路采用巴倫阻抗匹配網絡；天線使用50 Ω負極性天線。ZigBee無線通信模塊，見圖2。

圖2 ZigBee無線通信模塊

3.2 RFID電子標簽

電子標簽由RFID模塊和ZigBee通信模塊構成。其中RFID模塊主要由AS3933前端模擬芯片和匹配網絡組成，ZigBee模塊由射頻芯片CC2530和匹配網絡組成。電子標簽采用AS3933實現設備的電子身份識別，用SPI接口實現與CC2530的數據通信[8]。RFID電子標簽接口，見圖3。

圖3 RFID電子標簽接口

3.3 計時收費顯示模塊

由協調器的中央數據庫和上位機或PC機進行控制計時。收費標準以儀器購置資金來源為基本，醫院的相關職能科室協商定價，實行內部結算按小時收費模式，以提高使用科室的經濟效益意識，有效避免科室租借設備無故延期不還，影響后續科室的使用，充分提高設備使用率，防止設備閑置造成浪費。計時收費模塊直接嵌入在ZigBee通信模塊上，在急救設備終端顯示計時收費信息。

3.4 技術支持模塊

主要實現急救設備的技術支持功能。當設備出現基本故障時能及時提供有效的技術支持，急救設備值班人員能第一時間趕赴現場進行故障排除?？梢栽O置模擬電話和報警提示功能。

我們采用成都寶佳電子的PH8810模擬電話接口模塊、PHT02信號音檢測模塊和美國ISD公司的語音芯片ISD4004設計技術支持模塊。PH8810模擬電話接口模塊是一款具有較高集成度的電話接口模塊，集成了振鈴檢測、電話斷線檢測、自動摘掛機、自動增益調節、DTMF編碼發射（HT9200）、DTMF譯碼接收（HT9170）等電路；采用電子耦合技術，功耗極低。PHT02信號音識別模塊內嵌一片單片機獨立執行信號音檢測，配合高品質因素的BPF濾波器，濾除噪聲，能夠準確識別撥號音、忙音、回鈴音等信號，與AT89C51連接十分方便[9]。技術支持模塊接口，見圖4。

3.5 路由器

由CC2530芯片開發，實現數據的傳輸、存儲和路由功能，拓展功能可設置定位模塊，此時路由器還能作為定位參考點。可選用外接電源或內置電池作為供電方式，并根據不同要求放置在醫院所有病區內，包括住院部、門診或病人活動區等，甚至可以放置在救護車等移動設備中。這樣一旦進入有效范圍，系統可自動快速組網。若放置在戶外，該設備可采用鑄鋁外殼，可有效防雨、防塵等。

圖4 技術支持模塊接口

3.6 協調器

協調器由CC2530芯片、中央數據庫、上位機或PC機構成。CC2530芯片作為RF射頻模塊的接收端，負責整個網絡的建立和管理；中央數據庫、上位機或PC機，負責系統設備信息的存儲、顯示等，是醫院急救設備系統的核心。

急救設備的各個參數通過網絡轉發到協調器，同時預留RS232通信接口，用于與上位機或PC機之間的串口通信、調試[10]，實現動態管理和遠程技術指導。

4 系統軟件

目前，大部分醫院已以“合作共建”模式開展醫院急救設備的管理工作，主要形式是成立面向全院科室的租賃中心或急救設備中心；以集中化、中心化管理為準則，以租賃的方式按小時計費；便于設備的集中管理、統一協調。軟件方案設計核心是RFID設備識別、計時收費顯示和技術故障提示，從而實現對設備的監管。

4.1 電子標簽程序

為了確定各類急救設備的身份信息，將設備數據字典裝載寫入RFID，并生成唯一的ID號，并附加在急救設備上，用于設備身份識別。設備數據字典主要包括系統目錄字典和系統技術支持字典。系統目錄字典，包括呼吸機或簡易呼吸器、氧氣瓶，除顫儀、心電監護儀，輸液泵、注射泵，負壓吸引器，全自動洗胃機等的設備名稱、ID號、設備標識和輸入碼（拼音頭-大寫）。系統技術支持字典，包括維修記錄、計量質量控制記錄、消毒記錄、日常保養記錄、操作使用培訓記錄等數據。以軍衛系統為載體，導入后臺數據庫。

4.2 急救設備管理流程

流程管理包括預約申請、出庫、使用計費、入庫、驗機等。使用科室提出使用需求后，醫院急救設備系統值班人員給予響應，查詢設備庫存情況，如庫存不足需立即調配設備；讀取設備RFID信息，設備出庫后開始計時收費；設備使用后歸還租賃中心，辦理入庫手續，停止計費并將收費信息顯示出來。之后醫學工程人員對設備進行驗機、消毒，放入庫存，以待下一個使用周期。急救設備管理流程圖，見圖5。

圖5 急救設備管理流程圖

4.3 系統軟件流程

協調器流程見圖6(a)。CC2530芯片進行硬件驅動和網絡初始化，請求網絡存在，如果存在則對下一級網絡分配地址，用以建立網絡，準備接收數據。

路由器流程見圖6(b)。CC2530芯片進行硬件驅動和網絡初始化，偵測網絡數據，如果存在則對接收網絡分配地址，用以建立網絡，準備收發數據。

技術支持流程見圖6(c)。醫護人員使用的設備若出現故障，則啟動ZigBee網絡通信。請求數據被傳輸到控制中心的觸發報警和通話語音模塊；通過模擬電話告知設備故障，以便醫學工程人員及時排除故障。醫護人員使用的設備若無故障，則不需啟動ZigBee網絡通信，這時設備技術支持模塊和ZigBee通信網絡進入低能耗模式，節約設備用電。電子標簽、計時收費顯示等流程與本圖基本類似，不再列舉。

5 結語

本系統運行十分可靠；與條碼化管理相比實用高效；其設備管理及科學調度方便高效。且ZigBee網絡能耗低、穩定性高，耐用、易讀取。

系統組網靈活。無線網由協調器節點（控制中心）、適當數目的路由器節點（路由）和大量的終端節點（手持智能終端）組成，如果地理空間較大的話，也可以多協調器組網。這種組網方式具有極好的靈活性，各個終端節點進入相應的路由區域都能自動組網[11-12]。

系統可拓展性、可替代性強。如增加GPRS模塊，能實現手機形式的溝通，便于設備管理人員間快速響應；加入定位IIS傳感器對設備進行定位等。

總之，系統充分實現了急救醫療設備的跟蹤管理，使設備使用率達最大化，為設備的科學調配乃至科室的數據統計提供了技術支持。

圖6 系統軟件流程圖

[1] Studnek JR,Crawford JM．Factors associated with back problems among emergency medical technicians[J]．American Journal of Industrial Medicine,2007,50(6):464-469．

[2] Coskun N,Erol R．An optimization model for locating and sizing emergency medical service stations[J]．J Med Syst,2010,34(1):43-49．

[3] Tanigawa K,Tanaka K．Emergency medical service systems in Japan:past, present, and future[J]．Resuscitation,2006,69(3):365-370．

[4] 唐偉．急救設備質量管理體系構建[J]．重慶醫學,2007,36(4):378-379．

[5] 李開元,祝軍,范江波．綜合性醫院急救設備供應中心管理實踐[J]．中國醫學裝備,2012,9(9):34-36．

[6] 梁龍,王春雪．基于RFID和Zigbee網絡的分布式考勤系統設計[J]．制造業自動化,2012,(14):14-16,78．

[7] 王國靜,王衛東,昂清,等．基于ZigBee技術的多生理參數采集和存儲系統的設計[J]．中國醫療器械雜志,2012,36(2):90-92,102．

[8] 張穎,楊臻．一種基于RFID和ZigBee技術的局域定位系統[J]．電子設計工程,2012,20(10):175-178．

[9] 李結松．基于ZigBee技術的生命體征監測報警裝置[J]．醫療衛生裝備,2012,33(6):21-22,27．

[10] 劉福彬．網絡化多參數體征監測儀的設計[J]．中國醫療設備, 2013,28(10):26,30-33．

[11] 王紹卜．基于WSN的醫院病人實時監護系統[J]．計算機應用, 2012,21(5):46-49．

[12] 張林,張永魁．基于ZigBee的多生理參數測量與分析系統的設計[J]．中國醫療設備,2012,27(2):25-27,43．

Design of Emergent Equipment System Based on ZigBee Wireless Network in the Hospital

ZHU Jun1a, HOU Jun-zi1b, LI Xiao-yan1a, LI Jiang-hui2, WANG Li3,4, GAI Shu-ping3,4, WU Hong1a, HUANG Hua1a

1.a.Department of Medical Engineering; b.Intensive Care Unit of Transplantation Center, The 309thHospital of PLA, Beijing 100091, China;

2. Department of Electronics, University of York, Heslington York YO10 5DD, UK; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4.Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

目的 設計一種基于ZigBee無線網的醫院急救設備系統。方法 基于急救設備字典和CC2530芯片，通過嵌入RFID標簽、計時收費顯示模塊和技術支持模塊，利用ZigBee無線通信設計軟硬件，實現醫院急救設備的科學管理。結果 該系統高效科學地提高了急救設備的使用效率和保障水平。結論 系統具有良好的實用性和可拓展性，值得推廣。

急救設備系統；ZigBee無線網；CC2530芯片；RFID標簽；模擬電話；條碼管理

Objective To design an emergent equipment system based on ZigBee wireless network in the hospital. Methods Based on the emergent equipment dictionary and CC2530 chip, the hardwares and softwares of the system were designed with ZigBee wireless network by embedding RFID tag, timekeeping and charging display module, technical support module. Thus the scientific management of emergent equipment in the hospital has been implemented with the system. Results The service effciency and security level of emergent equipment have been enhanced effectively and scientifcally with the system. Conclusion The system with good practicability and expansibility should be promoted.

emergent equipment system; ZigBee wireless network; CC2530 chip; RFID tag; analog telephone; barcode management

TP393.03

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.008

1674-1633(2014)05-0026-04

2012-11-25

2013-03-20本文作者：朱俊，助理工程師。

伍洪，中國人民解放軍第三零九醫院醫學工程科主任，主管技師。

作者郵箱：zhjacd@163．com