基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)呼叫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京世紀(jì)壇醫(yī)院，北京 100038)

0 引言

呼叫系統(tǒng)一直是醫(yī)院和醫(yī)療保健中不可或缺的組成部分。目前大部分醫(yī)院只使用有線呼叫系統(tǒng)。這種有線呼叫系統(tǒng)不但給系統(tǒng)布線帶來(lái)了較大難度，導(dǎo)致成本較高并且維護(hù)不便，而且由于其安裝位置多數(shù)固定在病床附近的前壁上而限制了病人的自由移動(dòng)[1]。一些醫(yī)院也采用基于Wi-Fi的無(wú)線尋呼系統(tǒng)，但是這種呼叫系統(tǒng)的無(wú)線電波可能會(huì)干擾醫(yī)療設(shè)備的正常功能，并且由于電量消耗較大，患者隨聲攜帶的終端設(shè)備待機(jī)時(shí)間較短，使用體驗(yàn)較差。另外，這些呼叫系統(tǒng)都無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)患者的生理指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，導(dǎo)致在發(fā)生嚴(yán)重癥狀(例如昏迷)的情況下，護(hù)士不能獲得報(bào)警信息，從而導(dǎo)致治療延遲[2-3]。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)具有傳感、處理和通信的性能，因此已被用于各種軍事和民用應(yīng)用領(lǐng)域[4]。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控區(qū)域，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以收集物理信息并將其發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)或中央控制中心[5]。WSN是一個(gè)自我組織的、自我管理、自我維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)。如果下一跳節(jié)點(diǎn)被破壞，傳感器節(jié)點(diǎn)可以選擇其他節(jié)點(diǎn)傳送信息[6-7]。文獻(xiàn)[8]為老年病患者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Android的智能家庭和護(hù)士呼叫系統(tǒng),是一個(gè)低成本的解決方案，它使用Android應(yīng)用軟件實(shí)時(shí)與主機(jī)進(jìn)行通信。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(WSAN)系統(tǒng)，用于在室內(nèi)環(huán)境中調(diào)用家庭機(jī)器人。這一系統(tǒng)在幫助老年人和殘疾人保持獨(dú)立方面發(fā)揮著非常重要的作用。文獻(xiàn)[10]提出了一種用于傳統(tǒng)電話系統(tǒng)的ZigBee位置感知和標(biāo)簽識(shí)別技術(shù)。每當(dāng)有來(lái)電時(shí)，通話都將轉(zhuǎn)接至離該人最近的辦公電話。該系統(tǒng)可以提高電話轉(zhuǎn)接服務(wù)的整體服務(wù)質(zhì)量。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大部分醫(yī)院有線呼叫系統(tǒng)難以為行走不便的病人提供及時(shí)的醫(yī)療呼叫服務(wù)的困境，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee和CC2530的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)。ZigBee是一套基于IEEE 802.15.4的高級(jí)通信協(xié)議規(guī)范，具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率和近距離無(wú)線自組網(wǎng)絡(luò)的特征，是實(shí)現(xiàn)性?xún)r(jià)比較高的醫(yī)院無(wú)線呼叫系統(tǒng)較好選擇。

1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求設(shè)計(jì)了電路的整體結(jié)構(gòu)。在功能模塊上可以分為幾個(gè)部分：信號(hào)處理模塊(MSP430)、串口通信模塊、輸入輸出模塊(LED和鍵盤(pán))和模擬聲光報(bào)警模塊。射頻芯片使用芯旺微(ChipOn)公司的CC2530，信號(hào)處理芯片使用德州儀器(TI)公司的 MSP430FG4618。使用自定義鍵盤(pán)和LED作為設(shè)備的輸入和輸出，通信接口采用RS232和JTAG。CC2530和MSP430FG4618均由電池供電。硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

CC2530是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee、RF4CE的芯片系統(tǒng)解決方案，其最突出的特點(diǎn)是能夠花費(fèi)很少的材料構(gòu)建極其可靠的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片包含射頻收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU系統(tǒng)可編程閃存，8KB RAM和許多其他功能強(qiáng)大的模塊[11]。目前，CC2530主要有4個(gè)閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別帶有32 KB /64 KB 126 KB /256 KB閃存。CC2530有多種工作模式，具有超低功耗的特點(diǎn)。CC2530可以在非常短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換大量模式，這有利于進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗[12]。信號(hào)處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，呼叫模塊的的核心芯片為MSP430FG4618。

系統(tǒng)設(shè)置了RS232串口電路，以便進(jìn)行軟件程序的下載和測(cè)試，同時(shí)為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位主機(jī)進(jìn)行通信提供硬件支持。RS232支持各種不同速率的低速通信。RS232使用負(fù)邏輯，即：-5 V～15 V為邏輯“1”，+ 5V至+15 V為邏輯“0”， 噪聲容限為2 V。為了將RS232電平與MSP430電平兼容，使用MAX232實(shí)現(xiàn)232接口電路，MAX232能夠提供基于TTL正電平的RS232通信功能[13]。電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 RS232接口電路設(shè)計(jì)

RS232模塊的一組UART引腳和MSP430的一對(duì)I/O引腳P3.4和P3.5連接。UART的TX和RX對(duì)應(yīng)串口通信的輸入和輸出，I/O引腳P3.4和P3.5具有控制功能。同時(shí)，2個(gè)I/O引腳設(shè)置了LED燈以便觀察。本設(shè)計(jì)中的模塊和組件只需要DC電源的電壓。 MSP430FG4618和MAX3232都需要+ 3.3 V直流電源。ETC的AMS117系列穩(wěn)壓器芯片可以提供1.5 V/1.8 V/2.5 V/2.85 V/3.3 V/5.0 V穩(wěn)壓器的直流電壓輸出[14-15]，本設(shè)計(jì)選用AMS117-3.3型號(hào)獲得+3.3 V電壓。

電源電路如圖3所示。電源引腳1連接外部電池組。0.1 μF電容和470 μF電解電容并聯(lián)接地，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源信號(hào)去耦濾波功能，提高對(duì)系統(tǒng)的供電質(zhì)量。聲光報(bào)警模塊主要由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成。鍵盤(pán)部分則被設(shè)計(jì)為3×4矩陣電路。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由兩部分組成，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和信息中心設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要采用IAR Embedded Workbench軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該開(kāi)發(fā)平臺(tái)是整合多種開(kāi)發(fā)工具的集成平臺(tái)，具有代碼編輯器、代碼下載、程序調(diào)試等功能。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用C/C++，以提高開(kāi)發(fā)效率。

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通信模塊基于CC2530的代碼庫(kù)開(kāi)發(fā)。該代碼庫(kù)源自Z-Zack自由協(xié)議，由TI(德州儀器)和Chipcon公司共同開(kāi)發(fā)，旨在實(shí)現(xiàn)主機(jī)和呼叫終端之間的通信提供基礎(chǔ)接口。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)適用于星形拓?fù)洹?shù)狀拓?fù)湟约熬W(wǎng)狀拓?fù)洹Ｔ撛O(shè)計(jì)主要采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接簡(jiǎn)單，節(jié)點(diǎn)使用率最低。只有一個(gè)協(xié)調(diào)器可以完成網(wǎng)絡(luò)的連接。節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2 患者節(jié)點(diǎn)的程序

患者節(jié)點(diǎn)將在初始化后自動(dòng)訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)具有實(shí)時(shí)測(cè)量患者的心率的功能。當(dāng)涉及到事件時(shí)(例如呼叫或異常心率)，系統(tǒng)將通過(guò)按下按鈕來(lái)調(diào)用相關(guān)功能來(lái)處理事件。否則系統(tǒng)將處于休眠狀態(tài)。因此，該節(jié)點(diǎn)的能量消耗非常低。傳感器節(jié)點(diǎn)由鋰電池供電。如果傳感器節(jié)點(diǎn)的功率很低，則會(huì)將告警信息傳輸?shù)叫畔⒅行摹?/p>

2.3 護(hù)士中心節(jié)點(diǎn)的程序

通電后，護(hù)士中心的節(jié)點(diǎn)也將接入網(wǎng)絡(luò)，并檢測(cè)事件隊(duì)列調(diào)用相應(yīng)的功能給出相應(yīng)的響應(yīng)。當(dāng)沒(méi)有事件發(fā)生時(shí)，節(jié)點(diǎn)將處于低功耗狀態(tài)。由于節(jié)點(diǎn)的功能也是通過(guò)按鈕實(shí)現(xiàn)的，程序與患者終止程序相似，它們之間的唯一區(qū)別在于具體應(yīng)用。

2.4 信息中心軟件

信息中心用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)保存節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息。因此，信息中心軟件設(shè)計(jì)需要結(jié)合界面和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)以及PHP語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)信息中心平臺(tái)，它具有以下功能：

a.便捷操作。可基于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的不同類(lèi)別對(duì)所采集的信息進(jìn)行記錄、校正和刪除等各種操作；具有基于節(jié)點(diǎn)的不同狀態(tài)對(duì)信息進(jìn)行校正和刪除等操作的功能。

b.便捷查詢(xún)。護(hù)士可對(duì)患者節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息查詢(xún)和信息采集。

c.用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理。可對(duì)不同節(jié)點(diǎn)類(lèi)別(患者和護(hù)士)進(jìn)行用戶(hù)個(gè)人信息進(jìn)行填寫(xiě)、修改和刪除的操作。

d.呼叫信息。可向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送尋求幫助信息，也可以取消幫助信息的發(fā)送狀態(tài)。

病房?jī)?nèi)的節(jié)點(diǎn)全部通過(guò)星狀網(wǎng)絡(luò)連接，其中一個(gè)用作ZigBee路由器，以連接信息中心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖5所示，所有的ZigBee路由器形成一個(gè)星形和樹(shù)形的混合網(wǎng)絡(luò)，連接到放置在管理中心的中心節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)完整的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 當(dāng)患者使用手持終端尋求幫助時(shí)，信息將傳送到中心，然后護(hù)士可以通過(guò)中心訪問(wèn)信息立即處理。

圖5 星形和樹(shù)形的混合網(wǎng)絡(luò)

3 測(cè)試結(jié)果和分析

測(cè)試系統(tǒng)采用圖5所示的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大深度為4，最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)為10。系統(tǒng)工作頻段為2.4 GHz ISM。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，使用4、9、14和15信道，其通信頻率分別為2.425 GHz、2.450 GHz、2.475 GHz和2.480 GHz。

系統(tǒng)呼叫功能的測(cè)試結(jié)果如表1所示。表中d表示患者節(jié)點(diǎn)與ZigBee路由器的距離，H_T表示患者節(jié)點(diǎn)呼叫的次數(shù)，N_T表示護(hù)士節(jié)點(diǎn)接收到患者節(jié)點(diǎn)呼叫請(qǐng)求的次數(shù)，I_T表示信息中心記錄的護(hù)士成功受理呼叫的次數(shù)。

表1 呼叫功能的測(cè)試結(jié)果

由表1的數(shù)據(jù)可知，距離小于26 m，患者節(jié)點(diǎn)與路由器的通信可靠性非常高，因此在系統(tǒng)部署時(shí)要依據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)合病房的實(shí)際面積設(shè)置路由節(jié)點(diǎn)的安裝位置。其次信息中心所記錄的數(shù)據(jù)和護(hù)士節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)完全一致，表明信息中心的軟件系統(tǒng)工作效率能夠保證正常使用。

對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)所測(cè)量的心跳數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法是對(duì)1 min內(nèi)人工和傳感器同時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。該項(xiàng)測(cè)試反復(fù)進(jìn)行8次，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 心率測(cè)量數(shù)據(jù)

由表2的數(shù)據(jù)可知，心率測(cè)量每分鐘誤差做多為3次，最少為1次。這種測(cè)量精度完全能夠滿(mǎn)足呼叫系統(tǒng)對(duì)患者生理狀態(tài)的基本監(jiān)測(cè)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)呼叫系統(tǒng)專(zhuān)為醫(yī)院環(huán)境而設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)讓病人自由移動(dòng)，因此它勝過(guò)傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以監(jiān)控患者的心率，并在需要時(shí)自動(dòng)呼叫護(hù)士。相對(duì)于Wi-Fi、紅外、藍(lán)牙等無(wú)線通訊技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有功耗低、抗干擾性能好等優(yōu)勢(shì)，因此采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線呼叫終端具有良好的使用可靠性。由于ZigBee是一種組網(wǎng)簡(jiǎn)單、支持雙向通信，可用于為患者節(jié)點(diǎn)和護(hù)士中心提供可靠和可拓展的通訊信道，便于護(hù)士為患者提高及時(shí)的醫(yī)療服務(wù)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有較好的通信可靠性和滿(mǎn)足要求的監(jiān)測(cè)功能，可為醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)帶來(lái)較大便利。