基于CC2500的醫(yī)護(hù)人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

范金文，何 青

（長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 湖南 長沙 410114）

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，有多種關(guān)于移動裝置的通信、識別和定位的方法及系統(tǒng)，但在通信、識別和定位三項(xiàng)功能特征中，所有這些系統(tǒng)都只側(cè)重于其中的一個或兩個功能特征，在三項(xiàng)功能并重時，我們往往需要借助于另一個需要占用大量資源的系統(tǒng)或補(bǔ)充必需的硬件設(shè)備，才能達(dá)成預(yù)期的目標(biāo)，這一方面浪費(fèi)了外部資源、降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，特別是對于移動物體，硬件設(shè)備的增加更有可能降低系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。本文討論了利用CC2500模塊將通信、識別和定位三者有機(jī)結(jié)合在醫(yī)療呼叫管理系統(tǒng)應(yīng)用，解決了三項(xiàng)功能同時運(yùn)用的時候出現(xiàn)的資源浪費(fèi)等問題。

不同的應(yīng)用環(huán)境對定位精度有著不同的要求。室內(nèi)環(huán)境本身比較小，一般來說要求定位精度比較高才能夠滿足應(yīng)用需要。但是室內(nèi)定位需要回答的往往是這樣的問題：“某人在哪個房間?”而被定位者在房間中的位置我們大部分情況下并不關(guān)心，因此實(shí)際上只要能夠達(dá)到定位到房間就可以滿足很多實(shí)際需要了[1-2]。在實(shí)際醫(yī)院運(yùn)行中，患者與醫(yī)護(hù)人員接觸的次數(shù)相當(dāng)?shù)亩唷Ｒ环矫嫒绾巫尰颊吡私忉t(yī)護(hù)人員的位置，快速的找到附近的醫(yī)護(hù)人員，實(shí)現(xiàn)醫(yī)護(hù)人員快速且方便得為患者提供服務(wù)，另一方面如何管理醫(yī)護(hù)人員和患者，特別是在現(xiàn)在醫(yī)療資源不夠充分的條件下，這是擺在醫(yī)院管理者面前的一道難題。該系統(tǒng)通過對醫(yī)護(hù)人員和患者佩戴的移動設(shè)備的通信、識別和定位，實(shí)現(xiàn)人員的相對坐標(biāo)的定位，實(shí)時發(fā)布醫(yī)護(hù)人員的位置信息（病區(qū)、房間），第一時間響應(yīng)患者請求，方便醫(yī)護(hù)人員處理日常和突發(fā)事件。

1 系統(tǒng)框架與配置

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由管理設(shè)備、基站設(shè)備和移動設(shè)備3部分構(gòu)成。其中管理設(shè)備包含系統(tǒng)服務(wù)器、護(hù)士工作站和管理主機(jī)；基站設(shè)備包括醫(yī)護(hù)分機(jī)、病員一覽表、走廊漢字顯示屏、門口分機(jī)、床頭分機(jī)、治療室分機(jī)和衛(wèi)浴分機(jī)等有線設(shè)備；移動終端包括移動分機(jī)和病員腕表等移動終端。所有基站設(shè)備都與管理主機(jī)之間建立有線連接，因此所有配置信息以及數(shù)據(jù)都由管理主機(jī)下發(fā)給基站設(shè)備，基站設(shè)備上報(bào)的信息，也統(tǒng)一由管理主機(jī)接收；移動終端通過無線信號，與基站設(shè)備建立連接并通訊。特別說明：除管理主機(jī)外，任何一個有線設(shè)備都可以設(shè)為基站，并可指定其無線信號的頻點(diǎn)。

1.2 系統(tǒng)配置

以房間為單位，所有基站設(shè)備默認(rèn)為后備基站，由用戶通過護(hù)士工作站配置指定一個基站設(shè)備作為該房間的基站（一般以中間的有線設(shè)備作為基站），并為每個基站配置一個無線信號頻點(diǎn)。要求每個基站周圍三維空間的其他基站的無線信號頻點(diǎn)與該基站的無線信號的頻點(diǎn)不相同。

用戶通過治療室分機(jī)，為移動分機(jī)配置下發(fā)醫(yī)護(hù)人員工號，表示該移動分機(jī)與相關(guān)醫(yī)護(hù)人員身份綁定；同時治療室分機(jī)自動上報(bào)給管理主機(jī)，為此移動分機(jī)生成對應(yīng)的輪詢表項(xiàng)，并下發(fā)給各個基站；下發(fā)基站的輪詢表項(xiàng)內(nèi)容為：移動分機(jī)地址；類型為移動分機(jī)；輪詢標(biāo)志為是；成敗標(biāo)志為失敗。同樣的，用戶也可以通過治療室分機(jī)修改和刪除移動分機(jī)上的配置信息。

用戶通過治療室分機(jī)，為病人腕表配置病員住院號，表示該病員腕表與相應(yīng)的病人身份綁定；同時治療室分機(jī)自動上報(bào)給管理主機(jī)，為此病員腕表生成對應(yīng)的輪詢表項(xiàng)，并下發(fā)給各個基站；下發(fā)基站的輪詢表項(xiàng)內(nèi)容為：移動分機(jī)地址；類型為病員腕表；輪詢標(biāo)志為是；成敗標(biāo)志為失敗。同樣的，用戶也可以通過治療室分機(jī)修改和刪除病員腕表的配置信息。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體布局如下，每個房間有3個床位，分別在床頭安裝一個床頭分機(jī)，根據(jù)基站的配置原則，當(dāng)房間內(nèi)存在多個有線設(shè)備時，以居中的有線設(shè)備作為基站，其它有線設(shè)備作為后備基站，故中間的設(shè)定為該房間的基站。門口分機(jī)安裝在走廊的門口部位，用作走廊的人員定位基站與醫(yī)護(hù)人員巡房簽到。每個基站周圍的其他基站無線信號頻點(diǎn)與該基站的無線信號頻點(diǎn)必不相同。通過在每個房間設(shè)置不同頻點(diǎn)的基站來區(qū)分管理的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的移動終端的通信、識別和定位，將相關(guān)人員的位置相對坐標(biāo)而不是絕對坐標(biāo)定位出來，即醫(yī)護(hù)人員與患者所在病區(qū)和房間信息。

圖1 移動分機(jī)頻點(diǎn)自適應(yīng)流程圖Fig.1 Flow chart of Mobile Extension frequency adaptive

通過基站輪詢的方式進(jìn)行無線通訊，確保無線信號不會相互干擾。醫(yī)護(hù)人員佩戴的移動分機(jī)采用頻點(diǎn)自適應(yīng)的方式確保實(shí)時接入離自己最近的基站點(diǎn)，移動分機(jī)的頻點(diǎn)自適應(yīng)過程如圖1所示。移動分機(jī)系統(tǒng)啟動后，循環(huán)檢測系統(tǒng)N個頻點(diǎn)的無線信號的強(qiáng)度，以接收信號強(qiáng)度最大的無線信號的頻點(diǎn)作為自己的信號頻點(diǎn)Fn（接收信號強(qiáng)度（RSSI）反應(yīng)移動設(shè)備與基站的距離，距離越小，信號越強(qiáng)）[3]，自行匹配；響應(yīng)該頻點(diǎn)基站的輪詢，這樣保證了移動分機(jī)無時無刻都是和最近的基站站點(diǎn)實(shí)時連通通訊。

管理主機(jī)周期性的下發(fā)基站輪詢命令，記錄相應(yīng)的移動設(shè)備所在的基站位置，通過基站收集信息，采用有線的方式上傳給管理主機(jī)，管理主機(jī)采用WIFI連接護(hù)士站的PC機(jī)，并實(shí)時上傳位置信息，將醫(yī)護(hù)人員和病人的實(shí)時分布以圖形化的方式顯示在PC屏幕上，方便醫(yī)院的管理。同時管理主機(jī)通過發(fā)送顯示命令將醫(yī)護(hù)人員的位置信息通過走廊顯示屏實(shí)時循環(huán)顯示，使相關(guān)人員都能夠知道醫(yī)護(hù)人員當(dāng)時所在的位置（包括科室和房間位置），最有效的方便患者家屬找到相應(yīng)的醫(yī)護(hù)人員，減少相應(yīng)的尋找時間，方便醫(yī)護(hù)人員和患者之間聯(lián)系。當(dāng)病房里面的病人呼叫醫(yī)護(hù)人員的時候，基站由于前面移動分機(jī)的頻點(diǎn)的自適應(yīng)與最近的移動分機(jī)建立了無線通訊，優(yōu)先將患者的呼叫信息發(fā)送到該人員的移動分機(jī)上。醫(yī)護(hù)人員可通過觸摸屏對呼叫信息進(jìn)行處理；也可向醫(yī)院信息管理系統(tǒng)輸入或獲取相關(guān)的護(hù)理信息；在病房床旁通過將移動分機(jī)靠近病員腕表的方式讀取患者的身份和獲得相應(yīng)的護(hù)理信息如服藥清單、護(hù)理等級。

3 移動分機(jī)硬件設(shè)計(jì)

3.1 控制部分

在移動分機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，考慮到系統(tǒng)的功耗、成本及性能等要求，選擇的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F103CBT6作為移動分機(jī)的微控制器。STM32F103CBT6是一款集成了嵌入式Flash和SRAM存儲器的ARM Cortex－M3內(nèi)核。通過外部的晶振，主頻可到達(dá)72 MHz，擁有128 Kbytes的Flash容量，內(nèi)部有看門狗定時器。睡眠、停機(jī)和待機(jī)三種低功耗模式。2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、一個 USB 和一個 CAN[4－5]。

控制器主要由STM32F103CBT6和其外圍電路組成。其電路如圖 2所示， 其中 STM32F103CBT6的PA0、PA1、PA3、PB5～PB7、PB13～PB15 用作觸摸屏的控制接口 ；PA8～PA15用作觸摸屏的數(shù)據(jù)通訊接口。PC14－OSC32－IN和 PC15－OSC32－OUT擴(kuò)展外部時鐘電路。STM32F103CBT6通過SPI口設(shè)置CC2500的工作參數(shù)并與CC2500通訊。

3.2 電源模塊

移動分機(jī)佩戴在醫(yī)護(hù)人員手腕上，要求輕巧且具有可移動性，故采用鋰電池作為供電。為移動分機(jī)內(nèi)置鋰電池充電采用充電管理芯片為LTC4065。LTC4065是凌特公司生產(chǎn)的一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒定電流恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達(dá)750 mA且準(zhǔn)確度為5%的可設(shè)置的充電電流[6－7]。 在圖 3所示電路中，將VDD直接接至 LTC4065，為鋰電池充電。鋰電池通過一個穩(wěn)壓芯片HT7330為單片機(jī)和觸摸屏等工作電路提供穩(wěn)定的電源。BZ為蜂鳴器，起到鋰電池電量過低需要充電池時的提醒作用。

圖2 單片機(jī)外圍電路原理圖Fig.2 Schematic of the circuit single-chip microcontroller

3.3 射頻模塊

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Schematic of the power module

考慮到功耗、傳輸速率、芯片成本和信號強(qiáng)度等因素，特別是不能干擾像醫(yī)院心電圖等醫(yī)療器械的信號，采用的是TI公司的無線收發(fā)芯片CC2500作為無線模塊控制器。CC2500是TI公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4G無線頻段的收發(fā)器，工作頻率為400～24 803.5 MHz。RF收發(fā)器集成一個數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到500 kbit/s的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個64位傳輸/接收FIFO。CC2500的寄存器配置可通過SPI接口控制。它具有監(jiān)聽和休眠模式，可無線喚醒[8-9]，非常適合低功耗的應(yīng)用。

移動分機(jī)設(shè)計(jì)中，實(shí)際采用云寶電子科技有限公司在TI公司的CC2500收發(fā)器上開發(fā)的包含天線、外圍濾波和匹配網(wǎng)絡(luò)等的射頻集成模塊。該模塊具有低電流損耗，發(fā)射電流11 mA到21 mA軟件可調(diào)，接收電流15 mA，休眠電流小于500 nA，同樣可通過4線SPI控制通訊。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是利用Keil uVision4軟件在STM32庫3.5版本上編寫的C程序，編譯后通過SWD的方式下載到MCU中去[10]。STM32庫3.5版本是ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口，開發(fā)者可以直接調(diào)用庫函數(shù)配置STM32的寄存器。圖4為基站輪詢移動分機(jī)的流程圖，圖5為移動分機(jī)主程序流程圖。

4.1 基站輪詢軟件設(shè)計(jì)

基站對移動分機(jī)輪詢的目的是將與基站相連的同一個頻點(diǎn)的移動分機(jī)所代表的佩戴人員的工號記錄下來，結(jié)合基站所在的位置，生成輪詢對象表（輪詢對象表包含移動分機(jī)地址與綁定人員工號，上次輪詢該移動分機(jī)的基站地址，輪詢標(biāo)志），上傳給管理主機(jī)，將人員相對坐標(biāo)定位在相應(yīng)的病區(qū)房間，以圖形化的形式顯示在護(hù)士站電腦上和實(shí)時發(fā)布在走廊顯示屏上面。具體的程序流程如圖4。當(dāng)管理主機(jī)向基站下發(fā)輪詢指令和輪詢對象表。基站按順序讀取輪詢對象表，若移動分機(jī)輪詢結(jié)果標(biāo)志為成功，可以用回應(yīng)、請求、數(shù)據(jù)包等信息代替標(biāo)準(zhǔn)輪詢指令發(fā)送給輪詢對象。若移動分機(jī)輪詢結(jié)果標(biāo)志為失敗，則需發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的輪詢指令。判斷是否響應(yīng)超時，響應(yīng)為超時則直接更新輪詢標(biāo)志為失敗。如響應(yīng)沒有超時，判斷是否正常響應(yīng)，響應(yīng)為正常響應(yīng)則記錄回應(yīng)信息，若響應(yīng)對象回應(yīng)的為暫停輪詢信息，則需再等待一個響應(yīng)周期，仍然超時則直接更新輪詢標(biāo)志為成功，反之記錄相應(yīng)的回應(yīng)信息。最后上報(bào)管理主機(jī)更新輪詢對象表，完成一次輪詢，也完成了一次人員相對坐標(biāo)的定位。

圖4 基站輪詢程序流程圖Fig.4 Flow chart of the base station polling program

4.2 移動分機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)

移動分機(jī)利用CC2500射頻模塊實(shí)現(xiàn)無線呼叫和無線通話。無線定位取決的是基站對移動分機(jī)輪詢的結(jié)果反饋。移動分機(jī)的軟件總體流程如圖5所示。MCU和CC2500初始化后，控制器發(fā)出指令使CC2500循環(huán)檢測周圍的無線信號強(qiáng)度，選擇最強(qiáng)的信號作為自身的無線信號頻點(diǎn)。檢測與相連的基站是否發(fā)來輪詢請求指令，若有請求指令則看自己是否有請求或者數(shù)據(jù)需要發(fā)送，有則以請求或者數(shù)據(jù)信息作為回應(yīng)；否則回應(yīng)包含自身地址和所代表的佩戴人員的工號信息的空信息。值得說明的是移動分機(jī)每一個信息都包含自身的地址和所佩戴人員的工號信息。若無輪詢請求指令，則看是否有數(shù)據(jù)通信請求，若有則進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。沒有與進(jìn)行完一次完整數(shù)據(jù)通信的均返回到前面檢測周圍最強(qiáng)的頻點(diǎn)，重復(fù)上述過程。

圖5 移動分機(jī)程序流程圖Fig.5 Flow chart the mobile extension

5 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，該方案能有效的實(shí)時地檢測到醫(yī)護(hù)人員的位置，包括科室和房間位置。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員離開原來的病房進(jìn)入另外的病房時，由于采用基于接收信號強(qiáng)度（RSSI）最強(qiáng)的頻點(diǎn)自適應(yīng)的方式，保證每個移動設(shè)備都能與自己最近的設(shè)備實(shí)時通信，并且未發(fā)現(xiàn)失去聯(lián)系的現(xiàn)象。但在醫(yī)院實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)房間內(nèi)同時有多個佩戴有移動設(shè)備的醫(yī)護(hù)人員時，由于所有的移動設(shè)備頻點(diǎn)自適應(yīng)的結(jié)果，都采用同一工作頻率與房間內(nèi)的同一基站通訊，故當(dāng)多個電子標(biāo)簽同時傳輸數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，使各電子標(biāo)簽之間的傳輸相互干擾，進(jìn)而導(dǎo)致信號丟失的現(xiàn)象，這是還需解決對問題。

[1]張立立，鐘耳龢.無線室內(nèi)定位技術(shù)[C].中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會第八屆年會論文集，2004:966-972.

[2]段翠翠.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工生產(chǎn)區(qū)人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)，2013.

[3]曹陽，于秋則.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2013（7）:7-11.CAO Yank，YU Qiu-ze.Design of an indoor localization system based on RFID[J].Information Technology，2013（7）:7-11.

[4]張根寶，李秀平，龐蘇娟.基于ARM Cortex-M3便攜式智能超聲波液位計(jì)[J].儀器儀表與傳感器，2012（1）:19-20.ZHANG Gen-bao，LI Xiu-ping，PANG Su-juan.Portable and smart ultrasonic fluid level meter based on ARMCortex-M3[J].Instrument Technique and Sensor，2012（1）:19-20.

[5]李晶，李東澤，石堅(jiān).基于STM32F103的時間壓力采集系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2013（12）:42-45.LI Jing，LI Dong-ze，SHI Jian.Time/Pressure Testing Data Acquisition System Based on STM32F103[J].Automation&Instrumentation，2013（12）:42-45.

[6]Linear Technology，LTC4065 Datasheet[R].2005.

[7]韓劉，秦燕，李鵬，等.鋰電池線性充電管理芯片LTC4065及其應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（6）:46-47.HAN Liu，QING Yan，LiPeng，et al.Linear charge management chip LTC4065 Lithium and Applications[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2009（6）:46-47.

[8]蒲林蒸，林東.PIC單片機(jī)控制下的無線模塊自主選頻數(shù)據(jù)傳輸[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（3）:28-31.PU Lin-zheng，LIN Dong.Independent frequency selection data transmission based on wireless module controlled by PIC MCU[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2013（3）:28-31.

[9]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（5）:68-70.ZHANG Ying，LI Kai，WANG Wei-jian， Design of a kind of active RFID regional positioning system[J].Electronic Design Engineering， 2012， 20（05）:68-70.

[10]勾惠蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實(shí)現(xiàn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012，25（9）:26-28.GOU Hui-lan，LIU Guang-chao.Minimum system and serial communication implementation based on STM32[J].Industrial Control Computer，2012，25（9）:26-28.