基于Zigbee的病床呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

湯兆龍

(湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院信息工程系，湖北 孝感 432000)

利用一種簡(jiǎn)單可靠、低成本、低功耗的病床無線呼叫和監(jiān)控系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)范地管理病房的病床，是提高護(hù)理效率、減少護(hù)理成本的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有很好的現(xiàn)實(shí)意義。本系統(tǒng)以Zigbee技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建無線呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)有一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器、若干呼叫節(jié)點(diǎn)、若干腕式終端組成的簇狀Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。Zigbee協(xié)調(diào)器與上位機(jī)相連，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和可靠性傳輸，通過上位機(jī)系統(tǒng)接收、存儲(chǔ)、分析、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)信息。每個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)有一個(gè)唯一的識(shí)別碼，具有呼叫、顯示、通信功能；當(dāng)按下呼叫按扭時(shí)，上位機(jī)接收到服務(wù)申請(qǐng)后，根據(jù)識(shí)別碼，確定呼叫床位號(hào)，并顯示接收到的呼叫信息，發(fā)出聲光報(bào)警提示；腕式終端確認(rèn)報(bào)警信息后，立即采取措施，并回饋上位機(jī)一個(gè)確認(rèn)信號(hào)；上位機(jī)平臺(tái)即可清除屏幕當(dāng)前顯示的病床號(hào)及呼叫信號(hào)；能接收和存儲(chǔ)不少于10個(gè)呼叫的病床號(hào)信息，在消除當(dāng)前顯示后，能依次顯示下一個(gè)病床號(hào)發(fā)出的聲光提示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

呼叫節(jié)點(diǎn)和腕式終端從功能模塊角度劃分為以下幾個(gè)部分：MSP430F149核心單元、cc2530射頻通信模塊、液滴檢測(cè)模塊、段碼式液晶顯示模塊，聲光報(bào)警和鍵盤模塊,呼叫節(jié)點(diǎn)芯片CC2530和MSP430都采用電池供電，具體硬件設(shè)計(jì)圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖

1.電源模塊

呼叫器采用電池供電，為了做到低功耗，我們采用DC-DC升壓電路為系統(tǒng)供電。

2.按鍵和顯示

呼叫節(jié)點(diǎn)的顯示模塊采用段碼式液晶顯示，具有低耗低成本等優(yōu)點(diǎn)；按鍵采用獨(dú)立鍵盤方式，它的優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且編程易實(shí)現(xiàn)。

3.輸液檢測(cè)

將檢測(cè)裝置設(shè)置在滴斗處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)滴速度，呼叫節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示點(diǎn)滴速度(滴/分)，測(cè)量誤差小于4-2%滴；呼叫節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)應(yīng)在輸液結(jié)束(滴速為零)時(shí)3秒內(nèi)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并停止輸液。上位機(jī)和節(jié)點(diǎn)之間的無線通信距離可達(dá)500米以上；上位機(jī)巡回顯示各節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，以及當(dāng)前點(diǎn)滴速度，巡回時(shí)間由上位機(jī)設(shè)定。

通過測(cè)量相鄰點(diǎn)滴下落的時(shí)間間隔，滴斗處的檢測(cè)裝置能夠確定點(diǎn)滴速度。檢測(cè)采用紅外對(duì)管發(fā)射接收，工作與斷續(xù)的方式，在點(diǎn)滴落下時(shí)阻擋接收管接收的紅外線，產(chǎn)生高電平的脈沖信號(hào)，為提高抗干擾能力，選用單光束紅外光電傳感器RG1120作為紅外發(fā)射管，該器件具有進(jìn)口高發(fā)射功率的砷化鎵紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管。

液滴滴下時(shí)，為正跳變，在采集電路上加一個(gè)非門反向，使信號(hào)成為單片機(jī)可利用的。根據(jù)接收的光度強(qiáng)弱判斷，液滴是否滴下。該裝置成本低，安裝在滴斗上較簡(jiǎn)單；對(duì)輔助電路要求少，近距可以用直流發(fā)射，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滴漏檢測(cè)電路

4.cc2530通信模塊組網(wǎng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，是ZigBee 簇狀網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)通信的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，同時(shí)兼顧控制、仲裁和處理的功能，zigbee網(wǎng)絡(luò)中，由一個(gè)協(xié)調(diào)器，支撐整個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)。該模塊上有射頻模塊、蜂鳴器、復(fù)位電路，如圖4所示。

圖4 cc2530通信模塊

5.護(hù)士腕表的設(shè)計(jì)

考慮到輸液結(jié)束和病人呼叫的快速反應(yīng)，護(hù)士手上佩戴腕式節(jié)點(diǎn)終端。終端有以下幾部分：zigbee自組網(wǎng)絡(luò)通信模塊，用于網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的傳輸；段碼式液晶，用于顯示呼叫病床號(hào)和信息內(nèi)容；振動(dòng)器，產(chǎn)生震動(dòng)提示。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件由通信模塊、中斷初始化模塊、顯示及聲光報(bào)警模塊、掃描按鍵模塊等組成。

1.ZigBee 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

病床呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，部分節(jié)點(diǎn)作為ZigBee路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；所有的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)星型與樹型結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，再與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)連接，該節(jié)點(diǎn)設(shè)置在護(hù)士站的上位機(jī)端，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。具體步驟為：首先，初始化硬件驅(qū)動(dòng)和MAC層；接著掃描信道，接收和處理環(huán)境信息。節(jié)點(diǎn)根據(jù)信道掃描的結(jié)果作出加入網(wǎng)絡(luò)或新建PAN網(wǎng)絡(luò)的判斷，節(jié)點(diǎn)決定新建PAN網(wǎng)絡(luò)；第三步：建立PAN網(wǎng)絡(luò)。包括信道能量掃描、短地址信息選取、選擇PAN網(wǎng)絡(luò)ID、初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；第四步：接收節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，處理關(guān)聯(lián)指示原語，父節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完后，節(jié)點(diǎn)做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備；第五步：加入PAN網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點(diǎn)發(fā)布一個(gè)網(wǎng)絡(luò)查找原語，子節(jié)點(diǎn)MAC層執(zhí)行一次主動(dòng)掃描，函數(shù)更新鄰接表，子節(jié)點(diǎn)從搜索到的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)父節(jié)點(diǎn)加入。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，子節(jié)點(diǎn)和父節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無線通信。

2.病床呼叫和液滴監(jiān)控程序的軟件設(shè)計(jì)

呼叫系統(tǒng)采用按鍵觸發(fā)式方式實(shí)現(xiàn)，液滴監(jiān)控采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)方式實(shí)現(xiàn)。可視化人機(jī)界面的無線呼叫監(jiān)控系統(tǒng)，采用Visual C + + 語言，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)串口轉(zhuǎn)Zigbee通信方式。PC 機(jī)與無線呼叫系統(tǒng)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸可以用MSComm 控件開發(fā)出使用計(jì)算機(jī)串口的計(jì)算機(jī)通信程序來實(shí)現(xiàn)。MSComm 控件事件驅(qū)動(dòng)方式的通信方式，相當(dāng)于一般程序設(shè)計(jì)中的中斷方式，當(dāng)串口發(fā)生事件或錯(cuò)誤時(shí)，MSComm 控件將產(chǎn)生Oncomm事件，用戶程序可以捕獲該事件進(jìn)行相應(yīng)處理。上位機(jī)界面模塊如圖5 所示。

圖5 呼叫器上位機(jī)界面

四、系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

在本無線呼叫和液滴監(jiān)控系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)的通信距離為72米，當(dāng)呼叫器通過路由器與協(xié)調(diào)器通信時(shí)，通信距離可達(dá)到110米，各節(jié)點(diǎn)路由器發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和中轉(zhuǎn)功能。上位機(jī)操作員可隨機(jī)處理任何呼叫器的請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器按照接收請(qǐng)求的先后順序，發(fā)出處理結(jié)果給各個(gè)呼叫節(jié)點(diǎn)和響應(yīng)終端。整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試工作正常，呼叫節(jié)點(diǎn)能正確接收處理結(jié)果，呼叫器節(jié)點(diǎn)能同長(zhǎng)時(shí)間的處于工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)所需要的信息能夠被正確接收。詳細(xì)測(cè)試參數(shù)如表1 所示。

表1 Zigbee節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

目前一些呼叫系統(tǒng)，主要采用有線的mobus總線、網(wǎng)線方式；或者無線采用2.4Gwifi或者是其它點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式，主要存在電路比較復(fù)雜、架設(shè)和維護(hù)困難、成本較高等問題。而本文采用的ZigBee技術(shù)，具有移動(dòng)組網(wǎng)能力，可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中繼和拓?fù)?、較低的功耗和成本，非常適合無線信號(hào)在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用?；赯igbee的無線呼叫和液滴監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，將進(jìn)一步推動(dòng)醫(yī)療的信息化、自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，有著重要的實(shí)際意義。