基于紅外技術(shù)和ZIGBEE的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　目前中國(guó)國(guó)內(nèi)的醫(yī)院病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，基本上還是通過有線方式向監(jiān)護(hù)中心傳遞數(shù)據(jù)，需要布線，要進(jìn)行穿墻或過天花板，工作繁瑣，且無法自由移動(dòng)和擴(kuò)充，不便于維護(hù)，特別是在緊急情況下，線纜可能影響及時(shí)救治。比如病房里的呼叫系統(tǒng)都是通過有線的方式連接到護(hù)士監(jiān)控中心，呼叫按鈕裝置在病房的墻上，緊急情況下病人可能無法按動(dòng)呼叫按鈕而引發(fā)危險(xiǎn)事故。

　　尤其是人工測(cè)量患者體溫，不但增加了醫(yī)護(hù)人員的工作量，還影響病房病人的恢復(fù)休息，也不便于對(duì)病人生命體征信息的統(tǒng)計(jì)。所以研制開發(fā)低成本、低功耗、高可靠性、易擴(kuò)展、配置靈活的無線病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就具有普遍的意義和現(xiàn)實(shí)的價(jià)值。

　　1 短距離無線通信基礎(chǔ)

　　為實(shí)現(xiàn)無線節(jié)點(diǎn)、路由器之間的互通，必須要有相應(yīng)統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。目前熱門的短距離互聯(lián)技術(shù)有：

　　ZigBee、超寬帶(UWB)、藍(lán)牙(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)、近距離無線傳輸(NFC)。其中ZigBee 是一種適合于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接，它依據(jù)IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳節(jié)點(diǎn)到另一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其通信效率很高，相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)， ZigBee 技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)， 其出發(fā)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)一種易實(shí)現(xiàn)的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)造了條件。

　　以測(cè)量患者體溫和所在病房室內(nèi)溫度為例，提出了一種基于ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)解決方案，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者體溫、病房環(huán)境溫度參數(shù)和患者的求助呼叫信號(hào)，同時(shí)可以對(duì)病人實(shí)現(xiàn)房間級(jí)的定位，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)護(hù)中心進(jìn)行分析。

　　2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

　　整個(gè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)控制器(Gateway)和網(wǎng)絡(luò)主機(jī)服務(wù)器(包括WEB 服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器)組成，其中路由節(jié)點(diǎn)是全功能設(shè)備(FFD)，終端節(jié)點(diǎn)是精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。終端、路由、網(wǎng)關(guān)組成底層ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式采用樹狀網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間通過紅外技術(shù)實(shí)現(xiàn)患者房間級(jí)定位。終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集患者體溫?cái)?shù)據(jù)，傳送患者呼叫信號(hào)，信息通過路由節(jié)點(diǎn)中繼到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)為一嵌入式WEB 服務(wù)器，其負(fù)責(zé)連接遠(yuǎn)程Internet 主機(jī)服務(wù)器和底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)著底層 802.15.4 協(xié)議和高層Internet 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，采用TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入Intranet 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

　　服務(wù)器端采用基于網(wǎng)絡(luò)的管理平臺(tái)，醫(yī)生和值班護(hù)士通過PC或PDA 等設(shè)備，以WEB 瀏覽器方式查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)做出診斷。

圖1 病房監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的ZigBee 模塊選用TI ZigBee SoC 芯片CC2430,片上集成高性能8051 內(nèi)核、ADC、USART 等，兼容ZigBee 規(guī)范。這是一個(gè)方便用戶實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比、高集成度的ZigBee解決方案。

　　終端節(jié)點(diǎn)如圖2 所示，CC2430 為終端節(jié)點(diǎn)的中心控制模塊，控制所有外圍設(shè)備。傳感模塊采集患者體溫，紅外接收模塊用來接收路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送的位置識(shí)別碼(如病房號(hào))，終端節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)把該位置識(shí)別碼連同節(jié)點(diǎn)的ID 號(hào)一同傳送出去，以實(shí)現(xiàn)房間級(jí)定位。由于終端節(jié)點(diǎn)采用電池供電，為節(jié)省能量，當(dāng)節(jié)點(diǎn)不需要向外發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉紅外接收功能。液晶模塊選用3 位8 字段式液晶模塊，用于顯示所測(cè)量的患者體溫信息。

　　終端節(jié)點(diǎn)亦可當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立的數(shù)字溫度計(jì)使用。按鍵和LED 模塊用于緊急呼叫，病人需要護(hù)士的幫助時(shí)，按節(jié)點(diǎn)上的呼叫按鈕即可向護(hù)士值班中心發(fā)送呼叫信號(hào)，呼叫信號(hào)連同患者的位置信息和患者所帶節(jié)點(diǎn)ID 一同傳送到護(hù)士值班中心。若呼叫信號(hào)發(fā)送失敗，則紅色LED 燈閃爍，患者可重新呼叫;若呼叫成功，則節(jié)點(diǎn)上紅色LED 長(zhǎng)亮，直到護(hù)士值班室響應(yīng)請(qǐng)求信號(hào)后，紅色LED 燈熄滅，綠色LED 燈閃爍，等待護(hù)士到來后再次按下呼叫按鈕，綠色LED 燈熄滅。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　3.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其功能是發(fā)送參考位置識(shí)別碼，轉(zhuǎn)發(fā)終端和其他路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。路由節(jié)點(diǎn)采用市電經(jīng)電源降壓轉(zhuǎn)換成直流后供電，其紅外發(fā)射模塊受處理器控制，不停向外發(fā)射一個(gè)位置識(shí)別碼信息(預(yù)先設(shè)定好)，由于紅外線信號(hào)不會(huì)穿透房間里墻壁、天花板等障礙物，但在發(fā)射過程中，信號(hào)會(huì)在任何物品上發(fā)射，因此，只要終端節(jié)點(diǎn)位于發(fā)射范圍內(nèi)，且沒有被不透明物體完全遮蓋，那么終端節(jié)點(diǎn)就能接收病房?jī)?nèi)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出的紅外線，而不會(huì)接收隔壁病房?jī)?nèi)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)射的紅外信號(hào)，這樣就能準(zhǔn)確確定患者的位置信息。在病房外的走廊等其他位置裝上這種路由節(jié)點(diǎn)后，即使患者在病房外也能準(zhǔn)確確定患者所在位置。傳感模塊用來監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度和煙霧信息，在患者所在環(huán)境不適合患者時(shí)能及時(shí)采取措施，同時(shí)還兼具火災(zāi)報(bào)警的功能。

圖3 路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　3.3 網(wǎng)關(guān)控制器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)由控制模塊、ZigBee 模塊、TCP/IP 模塊、觸摸屏模塊、存儲(chǔ)模塊、電源管理模塊、自定義鍵盤和蜂鳴器模塊，硬件架構(gòu)如圖4 所示。

　　控制模塊由ST 公司的ARM9 處理器STR912 和外圍電路構(gòu)成。STR912 可達(dá)到96 MIPS 的峰值性能。在ARM966E-S 內(nèi)核里能夠執(zhí)行單周期的DSP 指令，同時(shí)配備了以太網(wǎng)、USB和CAN 總線接口，內(nèi)置高達(dá)544 KB 的Flash、96 KB 的SRAM。

　　這些外設(shè)使STR912 成為一個(gè)將嵌入式應(yīng)用連接到本地局域網(wǎng)或者因特網(wǎng)的理想單芯片解決方案。網(wǎng)關(guān)上的ZigBee 模塊(ZigBee Coordinator)起ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器作用，在控制器的控制下，負(fù)責(zé)組建、管理整個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，接收ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，通過串口傳給主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/IP 協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，通過路由器，接入到Intranet網(wǎng)絡(luò)，向Intranet 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)，控制器內(nèi)嵌入WEB 服務(wù)器，監(jiān)控端用戶可以直接登錄到嵌入式WEB 服務(wù)器查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令，也可通過Intranet網(wǎng)絡(luò)登錄到主機(jī)服務(wù)器查詢歷史數(shù)據(jù)。查詢工具可用有WEB瀏覽器的PC 機(jī)或是PDA 等設(shè)備。存儲(chǔ)器模塊是用來作為數(shù)據(jù)緩存，以防Intranet 網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定時(shí)，能將ZigBee 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)及時(shí)存儲(chǔ)，以防數(shù)據(jù)丟失，Intranet 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后再將數(shù)據(jù)傳送感到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)控制器布置在護(hù)士監(jiān)護(hù)中心，當(dāng)有患者呼叫時(shí)，蜂鳴器發(fā)出呼叫信號(hào)，同時(shí)顯示發(fā)出呼叫信息的患者位置等信息，值班護(hù)士確認(rèn)后蜂鳴器關(guān)閉，同時(shí)向發(fā)出呼叫的患者節(jié)點(diǎn)發(fā)送確認(rèn)信息。護(hù)士趕到患者病房后關(guān)閉患者節(jié)點(diǎn)的呼叫等待狀態(tài)。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

　　4 系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)

　　系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench 平臺(tái)，在TI 公司開發(fā)的Z-Stack 協(xié)議?；A(chǔ)上，根據(jù)本系統(tǒng)需要裁剪修改協(xié)議棧，定制應(yīng)用程序下載到節(jié)點(diǎn)模塊。網(wǎng)關(guān)模塊通過裁剪移植μC/OS-II 操作系統(tǒng)，通過在μC/OS-II 上移植TCP/IP 協(xié)議棧LwIP，利用μC/GUI 作為圖形界面設(shè)計(jì)工具，使用EasyWEB-API 實(shí)現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的HTTP-Server 頁面，實(shí)現(xiàn)嵌入式web服務(wù)器定制和動(dòng)態(tài)交互網(wǎng)頁設(shè)計(jì)。通過TCP/IP 模塊，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳送到基于網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)中的數(shù)據(jù)庫中。

　　基于網(wǎng)絡(luò)的管理平臺(tái)采用B/S(Browser/ Server)結(jié)構(gòu)，客戶端只需裝有Web 瀏覽器即可，服務(wù)器端連接客戶端和數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)處理來自瀏覽器用戶的請(qǐng)求。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的定義、維護(hù)、訪問、更新及管理，并響應(yīng)服務(wù)器的請(qǐng)求[5]。采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。遠(yuǎn)程WEB 服務(wù)器使用微軟的ASP.NET 技術(shù)開發(fā)了基于B/S 架構(gòu)的數(shù)據(jù)管理服務(wù)軟件。整個(gè)管理軟件分為前臺(tái)頁面和后臺(tái)管理兩大模塊，前臺(tái)頁面主要實(shí)現(xiàn)了用戶可視化管理，方便用戶隨時(shí)查看、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　后臺(tái)管理主要有3 大模塊：①終端節(jié)點(diǎn)信息與患者信息的綁定與刪除;②路由節(jié)點(diǎn)信息與病房號(hào)綁定與刪除;③管理系統(tǒng)的維護(hù)。Intranet 用戶通過授權(quán)可以查看訪問WEB 服務(wù)器查看病人信息。Intranet 網(wǎng)絡(luò)通過防火墻和外部Internet網(wǎng)絡(luò)相連，這樣外網(wǎng)用戶只要可以接入Internet 網(wǎng)絡(luò)，通過授權(quán)就可以訪問醫(yī)院內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。