基于ZigBee技術的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)對醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)的無線網絡通訊，提出了基于ZigBee技術的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)。其利用了ZigBee技術低功耗，低成本，時延短，可使用免費特定頻段，高保密的特點，通過硬件設計和軟件仿真，驗證了該無線網絡通訊系統(tǒng)具有優(yōu)秀的無線通訊效果及可操作性，且該系統(tǒng)相對基于其他無線通訊技術的網絡，將有更大網絡容量，可管理更多終端節(jié)點，這擴大了醫(yī)院監(jiān)控范圍，可大大提高醫(yī)院的醫(yī)療管理效率。

傳統(tǒng)醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)采用有線網絡監(jiān)視，通過RS-485或其他有線方式連接到主機上。這樣的監(jiān)控系統(tǒng)必須在醫(yī)院病房及走廊上進行線路布置，且監(jiān)控節(jié)點需固定在某個位置上，不能帶出病房，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時維護困難。

如今醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)正利用無線通訊方式的及時性和移動性，結合醫(yī)療管理系統(tǒng)建立無線監(jiān)控系統(tǒng)，使對病房的監(jiān)控(包括病人體溫監(jiān)控及病人的呼叫監(jiān)控)處于計算機網絡系統(tǒng)管理之下，從而及時應答病人請求。

目前主要流行的無線通訊技術包含了IrDA紅外線技術，藍牙技術和ZigBee技術等。IrDA紅外線技術屬于半雙工通訊方式，使用上不便且失誤率較高。而藍牙技術成本較高，網絡容量有限，不適于網絡節(jié)點數(shù)較多的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)。而ZigBee作為新型無線組網技術，組網簡單，低功耗，低成本，很適合用來實現(xiàn)小范圍的無線傳感器網絡，另外，還可以通過增加網絡節(jié)點數(shù)來解決ZigBee網絡遠距離通訊的問題。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是當今流行的短距離，低速率的無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術。它基于IEEE802.15.4，是IEEE無線個人區(qū)域網(PAN)工作組的一項標準。

ZigBee依托于一個個獨立工作節(jié)點，利用無線通信技術，通過自組織的方式組成星型，樹型及網狀網絡結構?？紤]降低系統(tǒng)成本，IEEE 802.15.4定義了兩種物理設備類型：全功能設備FFD和精簡功能設備RFD。FFD節(jié)點具有控制器的功能，以提供數(shù)據交換，可以作為網絡協(xié)調器，路由節(jié)點和終端節(jié)點使用，可以和網絡中任何類型的設備通信;RFD智能作為終端節(jié)點使用。

ZigBee的特點及優(yōu)點如下：

1)低功耗：兩節(jié)五號電池可供網絡使用六個月至兩年左右的時間，這是其突出優(yōu)勢，相比之下，藍牙可以工作數(shù)周，而wifi工作數(shù)小時。

2)可靠。采用碰撞避免機制;節(jié)點模塊間具有自動動態(tài)組網功能，信息在整個網絡中通過自動路由方式進行傳輸，從而有效保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3)成本低：通過大幅簡化協(xié)議降低成本，ZigBee協(xié)議專利免費。

4)時延短：針對時延敏感應用做了優(yōu)化，使其響應速度較快，通信時延只需30 ms，從休眠狀態(tài)激活的時延只需15 ms，這也在一定程度上節(jié)省了電能。

5)網絡容量大：ZigBee的三種網絡(星型，樹型，網狀)由一個主節(jié)點來管理若干個子節(jié)點，而一個主節(jié)點最多管理254個子節(jié)點。與此同時，主節(jié)點還可以由上一層網絡節(jié)點管理，因此最多可支持達65000個節(jié)點。

6)高保密性：ZigBee采用了64位出廠編號并且應用高級加密標準(AES-128)以靈活確定其安全屬性。

7)免執(zhí)照頻段：采用全球統(tǒng)一的工業(yè)科學醫(yī)療2.4 Hz頻段。

2 基于ZigBee技術無線醫(yī)院監(jiān)控網絡組建

2.1 醫(yī)院監(jiān)控網絡拓撲結構的選擇

ZigBee支持包辦有主從設備的星型，樹型，網狀拓撲結構。星型拓撲網絡結構中有一個中央協(xié)調器)和若干個從設備(終端節(jié)點)，所有的終端節(jié)點智能與協(xié)調器進行通信，適應于小范圍網絡系統(tǒng)使用。樹型拓撲網絡結構也是由一個中央控制器(網絡協(xié)調器)和若干終端節(jié)點組成，在控制器與終端節(jié)點間由由路由器連接眾多星型網絡，可以說是利用路由器的星型網絡結構的擴充，適合分布范圍較大的應用場合。網狀拓撲結構中任何設備都可以與它所涵蓋的無線通信范圍內的其他設備進行通信，結構較為復雜。而針對醫(yī)院病房比較集中，且范圍有限的特點，根據ZigBee標準說明，室內環(huán)境一般可以達到30多米的覆蓋范圍，所以對于一般醫(yī)院病房區(qū)足夠，星型拓撲結構較為合適，又其具有簡潔和低功耗特點，所以醫(yī)院無線監(jiān)控網絡系統(tǒng)采用星型無線網絡系統(tǒng)。

2.2 醫(yī)院無線監(jiān)控網絡的組建

醫(yī)院無線監(jiān)控網絡系統(tǒng)設置一個網絡協(xié)調器(FFD)與若干個終端節(jié)點(RFD)節(jié)點，網絡協(xié)調器設置在醫(yī)院監(jiān)控室中，負責建立和管理網絡，并顯示當前網絡狀況以及將接受信息發(fā)送至計算機中。終端節(jié)點(RFD)分布在各個病房內，負責采集病房溫度及設置在病房內的呼叫按鍵值，并周期性地將采集的信息發(fā)送給網絡協(xié)調器。系統(tǒng)圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件及基本電路設計

3.1 網絡協(xié)調器(FFD)的組成

此醫(yī)院無線監(jiān)控網絡系統(tǒng)網絡協(xié)調器(FFD)由CC2430，串口部分，按鍵以及液晶組成，用來顯示當前病房的狀態(tài)。結構圖如圖2所示。

CC2430是由Chipcon公司生產的系統(tǒng)芯片，其延用了CC2420芯片結構，在單個芯片上面包含了ZigBee射頻(RF)前端，內存以及微控制器。它使用一個8位的MCU(8051)，具有128KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含了數(shù)模轉換器，4個定時器，AES-128安全協(xié)處理器，看門狗定時器(Watchdog Timer)，32 kHz晶振休眠模式定時器，上點復位電路，掉電檢測電路，和21個可編程I/O引腳。該網絡中CC2430的I/O口直接控制液晶，用來顯示當前溫度或者病人是否有幫助需求。這里采用了ADC采樣掃描鍵盤，可節(jié)省I/O口數(shù)量。其中SIP3223芯片即FAN3223芯片，SIP封裝，是一塊雙路4 A高速，低側柵極驅動器。

3.2 終端節(jié)點(RFD)的構建

ZigBee節(jié)點由微控制器模塊，存儲器，無線收發(fā)模塊，電源模塊，傳感器模塊及其他外設組成。終端節(jié)點(RFD)設置在每個病床旁，與病人的手持終端相連，該節(jié)點可以檢測自己所處環(huán)境溫度，并且可以掃描按鍵值，然后將檢測到的溫度值以及按鍵狀態(tài)發(fā)送至主機。其中增加的串口擴展接口可通過外接RS-232(異步傳輸標準接口)模塊將數(shù)據傳至計算機。原理框圖如圖3所示。

3.3 終端節(jié)點(RFD)中傳感器的選擇

本系統(tǒng)使用的傳感器為TC77.它SPI串行接口的溫度傳感器，尺寸小，成本低，使用方便，是多種系統(tǒng)溫度管理的理想選擇。TC77所檢測的溫度數(shù)據通過其內部的溫度敏感元件轉換獲得，可以隨時轉化為13位的二進制補碼數(shù)字。可以通過SPI及Microwire可兼容接口與TC77完成通信。

4 軟件實現(xiàn)過程

4.1 初始化

4.1.1 網絡協(xié)調器初始化

網絡協(xié)調器首先初始化CC2430和液晶，程序方面初始化協(xié)議棧.并且打開中斷。然后開始格式化一個網絡，可以通過液晶上顯示的格式化網絡的相關信息判斷格式化是否成功。通過串口57600，8，N，1在串口調試助手里可以看到網絡協(xié)調器的物理地址，所建立網絡的網絡頻道號和ID號等信息。

4.1.2 終端節(jié)點(RFD)初始化

終端節(jié)點(RFD)程序中同樣初始化CC2430，之后打開傳感器電源，然后再進行協(xié)議棧初始化，發(fā)送加入網絡的信號，等待主機的響應，同時給主機分配網絡地址。

4.1.3 新節(jié)點建立

程序進入應用層，通過對相關函數(shù)監(jiān)測到空中的ZigBee信號，判斷是否有終端節(jié)點(RFD)或路由加入網絡。若有終端節(jié)點(RFD)或路由，一方面液晶及串口輸出將顯示有新的終端節(jié)點(RFD)或路由節(jié)點加入網絡中，并且顯示有關加入網絡節(jié)點的物理地址，另一方面網絡協(xié)調器分配網絡地址給加入的節(jié)點。

4.2 工作過程

終端節(jié)點(RFD)周期性采集溫度值和掃描按鍵值，并將檢測數(shù)據打包發(fā)送至網絡協(xié)調器，然后等待接收應答。如果發(fā)送成功，則終端節(jié)點(RFD)回到空閑狀態(tài)，否則終端節(jié)點(RFD)重新采集數(shù)據再次發(fā)送至網絡協(xié)調器直到成功。網絡協(xié)調器接收到數(shù)據后在液晶上顯示接收到的溫度值和按鍵信息。如果幫助按鍵按下，頁面上則會顯示“HELP ME!”，此時可以通過網絡協(xié)調器上的下鍵清除顯示的求助信號。

5 結束語

基于ZigBee技術的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)充分利用無線網絡的移動性和及時性，使醫(yī)院處于計算機網絡管理之下，節(jié)省了架線，方便了醫(yī)護之間的通訊，勢必會在未來醫(yī)院系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。