多生理參數監護系統網絡設計

安徽理工大學 趙善彬

在此次疫情期間，醫護人員嚴重缺乏，而為減輕醫護人員的工作負擔，使得醫護人員可以更好的照顧嚴重的病患，我們可以采取多生理參數監護技術。本文設計一種ZigBee的多生理參數的監護系統，用于對病區進行監控的無線傳感網絡系統包括由數據采集節點、接收節點組成的無線通信模塊、OLED顯示模塊以及上位機監視服務中心3個部分。

由于近年賴疫情的爆發，降低醫護人員在對患者進行救治看護過程中的感染率成為緩解人員緊張以及疫情得到控制的重要研究問題。本文的ZIGBEE無線遠距離生理監護系統起到著重要的作用。由于現醫院大部分的監護系統都是有線，距離需求較近這較大的增加了疫情通過近距離接觸感染的可能性。并且其功能上較為單一，設備功能獨立無法實現多參數同時監控。并且設備體積大，極大的妨礙了患者日常運動，嚴重的限制了患者活動半徑進而影響其生活和情緒。隨著科技的進步，各類傳感器的功能得到極大的開發與應用，并且傳感器的體積也得到較大的改善，其兼容性也得到優化。所以面對發展需求，醫院的單參數監護系統必然需要向多參數監護系統發展，通過采用各類傳感器以及相關的軟硬件控制技術，在原有的基礎上實現高集成、儀器體積小、日常使用方便、且使用精度高的多參數監護系統就得到社會的青睞。其中以ZIGBEE無線傳輸的方式使得在監護系統運行過程中更加的方便，由于其低功耗、低復雜度、操作簡單使用傳輸精度高等優點更是成為眾矢之的。

本文中提出將傳感器技術與Zigbee技術相結合，讓監護系統完全實現無線傳輸、精準檢測、快速預警等效果，有效提高醫護人員的工作效率，從而進一步使得更多患者及時得到有效治療。

1 Zigbee技術介紹

Zigbee傳輸方式是一種Zigbee聯盟制訂的，主要運用于速率低距離較短的傳輸，目的是達到成本低、功耗低的無線網狀網絡的協議，是一種雙向的網絡技術與無線通訊技術，其正常工作頻段分別為868MHz、915MHz和2.4GHz，其數據傳輸率在10～250kbit/s之間，具有低速率、響應快、高可靠性、功耗低、網絡容量大、自動組網等特點。

2 系統總體方案

整個監護系統由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面主控芯片采用8051單片機，傳感器使用體溫傳感器、血壓傳感器、脈搏、心率、血氧飽和度傳感器；體溫傳感器、血壓傳感器、心率、脈搏傳感器以及血氧飽和度傳感器，將獲取的體溫、血壓、脈搏等生理參數，通過終端節點，然后由無線收發模塊通過CC2530內部的增強型的8051微控制器的A/D轉換電路或者恰當的A/D轉換電路，將模擬量轉換為數字量，再由CC2530進行無線接收并發送到另一個作為整個無線網絡協調器的Zigbee模塊，最后通過OLED顯示屏顯示給陪護人員以及巡視醫護人員，并通過串口將數據傳輸給上位機監視服務中心的服務人員進行監視與儲存處理。方便了醫護人員的日常工作，提高了工作效率。

2.1 系統硬件設計

多生理參數監護系統，在設計中主要是需要兩個CC2530模塊，一個利用CC2530模塊內部的8051單片機組成的數據采集處理模塊，另一個利用天線和射頻芯片組成的無線接收部分。系統整體框圖如圖1所示。其中數據采集模塊主要包括如體溫、血壓、心率等傳感器采集電路。數據處理模塊主要存在一些微處理器和外圍電路，其中采集到的數據通過微處理器作出相應監管，允許終端節點的加入和離開，并且接受并且存儲由終端節點采集來的信息，然后將所接收到的信息進行顯示。其中主要包括如OLED顯示電路、復位電路等。最后將處理好的信息通過天線射頻的方式發送出去。無線接收模塊主要是根據制定協議，在將射頻信號通過內部電路進行分析并展示，通過內部時鐘電路以及匹配電路分別確定數據的準確性，匹配到相應信息終端號。供電模塊負責整個系統的能量供應，滿足工作狀態和休眠狀態和電量需求，并達到低耗能的系統設計要求。

圖1 系統整體框圖

2.2 系統軟件設計

當傳感器節點供上電后，節點進行初始化過程，以自組網的方式與網絡協調器連接成功后，外部中斷信號沒有發給CC2530時，采集結點將處于休眠低功耗狀態。在產生中斷信號后，采集結點上電被激活，進入采集工作狀態并發送數據。在外部中斷信號消失后，再次進入低功耗狀態。根據Zigbee模塊的唯一性，每個模塊都會有唯一的地址位，在與采集處理的CC2530模塊進行連接時，都可以根據這個唯一地址進行匹配，使得節點與接收終端處于同一網絡中。當傳感器節點達到接收條件時，會及時采集數據并將其數據傳送到單片機中，再由單片機將每個節點的數據進行打包、加碼進行發送，將數據傳輸到接收終端網絡協調器。流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器采集結點工作流程圖

當協調器節點上電后，自主的會組建一個屬于自己的新網絡。在網絡搭建完成后，網絡協調器會自動在其輻射的范圍內搜索是否有還未連接的終端采集節點，并該終端已經向其自建網絡發出加入申請指令。若存在節點申請沒加入，協調器通過網絡層會給未加入的節點分配一個新的地址位，且具有唯一性。協調器需要數據傳輸時，會向終端采集節點發出數據請求指令，要求其將數據采集結果發送給協調器，再進行顯示和存儲。

總結：此系統的優點在于，患者將采集節點佩戴在身上，傳感器可以隨時精準采集到患者的信息，并且在過程中采用無線傳輸技術，不影響患者的自由活動，大大降低了醫患接觸感染病菌的可能性。通過OLED顯示電路，將各個節點的數據進行綜合顯示和管理，通過上位機可以及時對每個患者的情況進行及時掌握。本系統使用無線傳輸Zigbee技術，它在中距離傳輸上精度高、可靠性也優于其他方式。將其運用在監護系統中可以很好的體現其成本需求低、復雜度低、使用過程中伸縮性好的特點。