ZigBee技術(shù)和STM32用于醫(yī)院房管理的研究

林飛宇　夏興洋　湯建華　葉鴻達(dá)（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川成都　610039）

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ZigBee技術(shù)和STM32用于醫(yī)院房管理的研究

林飛宇夏興洋湯建華葉鴻達(dá)
（西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川成都610039）

【摘 要】ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，在工控、民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊；Zigbee具有低價(jià)位、低功耗、短距離、傳輸可靠性高、安裝設(shè)置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得其在家庭自動(dòng)化、照明系統(tǒng)、工業(yè)控制和監(jiān)控、醫(yī)療保健等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用；本文闡述了ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)、基本原理及提供了一種用于醫(yī)院病房管理方案。

【關(guān)鍵詞】ZigBee無線通信低功耗低價(jià)位病房管理

1　引言

我國(guó)人口數(shù)量巨大，醫(yī)療資源緊張，醫(yī)護(hù)人員對(duì)病人的在院治療及康復(fù)有著極其重要作用，其工作質(zhì)量、負(fù)責(zé)程度直接影響到在院病人的康復(fù)及醫(yī)院的聲譽(yù)；醫(yī)護(hù)人員的素質(zhì)差異、及工作負(fù)荷差異等因素造成了難以對(duì)其工作質(zhì)量的評(píng)估；為了有效的提高醫(yī)務(wù)人員的利用率，傳統(tǒng)的有線呼叫系統(tǒng)已經(jīng)不適用于大型醫(yī)院的病房管理，并且它具有安裝連線復(fù)雜、出故障后檢修困難、成本高、性能單一等缺點(diǎn)，不能提供完善的病房服務(wù)及管理，也不能考核醫(yī)護(hù)人員護(hù)理質(zhì)量；有些醫(yī)院雖然是安裝的無線呼叫系統(tǒng)，但是存在穩(wěn)定性差、能耗大、功能單一、不便于組網(wǎng)等缺點(diǎn)。為解決上述問題，本文闡述了ZigBee技術(shù)和微控制器STM32用于病房管理，其優(yōu)點(diǎn)是：能無線呼叫醫(yī)護(hù)人員、能考核醫(yī)護(hù)人員的工作質(zhì)量、能在液晶上顯示信息、操作簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便、成本低、可靠性高、低功耗、手持便攜等特點(diǎn)。

2　ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)及系統(tǒng)

2.1ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，它的物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義；它是新興的一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、高可靠度的廉價(jià)無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在普通干電池供電下，可工作長(zhǎng)達(dá)一年以上，它的協(xié)議棧是免費(fèi)使用的，它的響應(yīng)速度快、網(wǎng)容量大，它在IT行業(yè)中有巨大的發(fā)展前景，ZigBee技術(shù)的簡(jiǎn)單可靠，改良了近距離通信方式，提升了通信質(zhì)量。

2.2嵌入了ZigBee技術(shù)的單片機(jī)——CC2530

CC2530是德州儀器公司出產(chǎn)的一款芯片，專門用于2.4GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用。CC2530的特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

（1）外圍電路簡(jiǎn)單：需要極少的外接元件，一個(gè)晶振即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（2）低功耗：1）主動(dòng)模式RX（CPU空閑）：24mA； 2）主動(dòng)模式TX （CPU空閑）：29mA；3）供電模式1（4us喚醒）：0.2mA；4）供電模式2（睡眠定時(shí)器運(yùn)行）：1uA；5）供電模式3（外部中斷）：0.4uA；6）寬電源電壓范圍（2V--3.6V）。

（3）嵌入微控制器：優(yōu)良的性能和具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核；32-、64-或128-KB的系統(tǒng)可編程閃存；8-KB RAM，具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保持能力；支持硬件調(diào)試。

（4）有豐富的外設(shè)：五通道的DMA，一個(gè)16位定時(shí)器和一個(gè)8位定時(shí)器，IR發(fā)生電路，具有捕獲功能的32KHz睡眠定時(shí)器，8路數(shù)輸入和可被指分辨率的12位ADC，電池監(jiān)視和溫度傳感器，2個(gè)串行通信的USART，21個(gè)通用I/O引腳，看門狗定時(shí)器。

圖1　監(jiān)控終端硬件框圖

圖2　路由節(jié)點(diǎn)

圖3　病人節(jié)點(diǎn)

3　基于ZigBee及微控制器的醫(yī)院病房管理系統(tǒng)

3.1管理方案

本方案基于ZigBee技術(shù)和STM32組成的呼叫系統(tǒng)，它是由病人手持節(jié)點(diǎn)、護(hù)士便攜節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端組成。

病人手持節(jié)點(diǎn)處有緊急呼叫按鈕、普通呼叫按鈕和服務(wù)評(píng)價(jià)按鈕，病人可以通過呼叫按鈕呼叫醫(yī)護(hù)人員，病人手持節(jié)點(diǎn)將床位信息通過路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送到監(jiān)控終端，監(jiān)控終端根據(jù)護(hù)士的服務(wù)標(biāo)記情況分配護(hù)士到位服務(wù)，并標(biāo)記服務(wù)直到服務(wù)結(jié)束或護(hù)士便攜終端無服務(wù)回應(yīng)；即使醫(yī)護(hù)人員離病房較遠(yuǎn)也可以接收到監(jiān)控終端信息，并且監(jiān)控終端會(huì)根據(jù)病人節(jié)點(diǎn)傳來的服務(wù)評(píng)價(jià)信息統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)醫(yī)護(hù)人員的服務(wù)質(zhì)量。

監(jiān)控終端對(duì)病人手持節(jié)點(diǎn)的呼叫響應(yīng)、及分配護(hù)士服務(wù)，可根據(jù)病人評(píng)價(jià)、勞動(dòng)負(fù)荷及工作質(zhì)量進(jìn)行分配響應(yīng)，而這些數(shù)據(jù)由醫(yī)護(hù)人員服務(wù)次數(shù)以及病人評(píng)價(jià)自動(dòng)由監(jiān)控終端統(tǒng)計(jì)并存儲(chǔ)。監(jiān)察人員可以定期對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行考察，來評(píng)估醫(yī)護(hù)人員的工作質(zhì)量，確保病人的醫(yī)治質(zhì)量以及醫(yī)院聲譽(yù)。

3.2方案特點(diǎn)

本管理方案能及時(shí)響應(yīng)病人不同類型的呼叫請(qǐng)求，能夠提升醫(yī)護(hù)人員的護(hù)理質(zhì)量，能方便的統(tǒng)計(jì)和考察醫(yī)護(hù)人員的工作質(zhì)量，提高醫(yī)護(hù)人員的利用率；本方案的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的技術(shù)支持，采用無線組網(wǎng)，使醫(yī)護(hù)人員不必守在監(jiān)護(hù)辦公室，可以在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)任意移動(dòng)而不耽誤對(duì)病人的監(jiān)護(hù)任務(wù)。

3.3硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1監(jiān)控終端

監(jiān)控終端主要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)督各病區(qū)護(hù)士給病人提供護(hù)理服務(wù)的情況，同時(shí)統(tǒng)計(jì)病人在接受服務(wù)后給予的呼叫評(píng)價(jià)消息并存儲(chǔ)，它由主控制器STM32F103、CC2530模塊、電源模塊、TFT彩屏顯示器構(gòu)成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3.3.2路由器

ZigBee 路由器為路由節(jié)點(diǎn)，它會(huì)根據(jù)信道的情況自動(dòng)選擇和設(shè)定路由，以最佳路徑，按前后順序發(fā)送信號(hào)，避免因傳輸路線過長(zhǎng)造成信號(hào)的缺失、不準(zhǔn)確。它主要用于支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，增大數(shù)據(jù)傳輸距離，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，為移動(dòng)中的病人提供便利，由發(fā)光二極管、CC2530模塊、電源模塊構(gòu)成。其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

3.3.3病人節(jié)點(diǎn)

病人節(jié)點(diǎn)主要包括呼叫功能、服務(wù)確認(rèn)功能、時(shí)間顯示功能、電量檢測(cè)功能和對(duì)護(hù)士服務(wù)的評(píng)價(jià)功能，由12864液晶顯示器、CC2530模塊、電源部分、發(fā)光二極管、按鍵構(gòu)成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3.3.4護(hù)士節(jié)點(diǎn)

護(hù)士節(jié)點(diǎn)主要包括時(shí)間顯示功能、電量檢測(cè)功能、聲音報(bào)警功能和震動(dòng)報(bào)警功能，由CC2530模塊、震動(dòng)馬達(dá)、供電部分、蜂鳴器、按鍵、發(fā)光二極管、Oled顯示屏構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3.4軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在本文中，軟件設(shè)計(jì)是為了搭建無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)病人的手持終端、護(hù)士便攜終端以及監(jiān)控終端之間的數(shù)據(jù)發(fā)送、轉(zhuǎn)發(fā)及接收。下面就對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各部分進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。（圖5、圖6、圖7）

圖4　護(hù)士節(jié)點(diǎn)

圖5　監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6　協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)流程圖

圖7　病人和護(hù)士節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖

4　系統(tǒng)調(diào)試事項(xiàng)

本呼叫系統(tǒng)調(diào)試由模塊調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)兩部分工作構(gòu)成，模塊調(diào)試主要對(duì)系統(tǒng)的硬件、軟件的檢驗(yàn)，確保呼叫系統(tǒng)的硬件軟件滿足要求沒有故障；呼叫系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)能正常反映醫(yī)院環(huán)境情況和系統(tǒng)工藝，現(xiàn)場(chǎng)得到系統(tǒng)的性能指標(biāo)；在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)先做模塊調(diào)試，后系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；系統(tǒng)調(diào)試時(shí)上電前必須確保供電線路、接地線路可靠連接，包括接地端子接觸、接地端對(duì)地電阻。

系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行前，必須確保聯(lián)調(diào)完成后，芯片及其它器件發(fā)熱正常，有可靠而散熱裝置，預(yù)先進(jìn)行模擬運(yùn)行。

5　結(jié)語

ZigBee所擁有低功耗、廉價(jià)、組網(wǎng)方便以及技術(shù)簡(jiǎn)單等優(yōu)良特色，將其用于醫(yī)院管理中，對(duì)病人呼叫進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，讓醫(yī)護(hù)人員能及時(shí)對(duì)病人進(jìn)行護(hù)理，能對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行監(jiān)督管理，提高了醫(yī)護(hù)人員工作效率和醫(yī)療服務(wù)水平，相比于其它的呼叫方式具有更高的性價(jià)比。

參考文獻(xiàn)：

［1］毛鵬軍，姜水，王俊，張伏，邱兆美.基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015（01）.

［2］酈亮.IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)應(yīng)用，2003（1）.

［3］王權(quán)平，王莉.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電信科技，2004（1）.

［4］卓有福.ZigBee技術(shù)在病房監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科技信息，2010 （16）.

［5］李曉維，徐勇軍，任豐原.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，2007.

［6］Xianghui Cao；Jiming Chen；Yan Zhang；Youxian Sun Development of an integrated wireless sensornetwork micro-environmental monitoring system［J］，2008（3）.

［7］Gang Ding；Sahinoglu Z.；Orlik P.；Jinyun Zhang；Bhargava B. Tree-Based Data Broadcast in IEEE802.15.4 and ZigBee Networks［J］. 2006（11）.

［8］徐赟.基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子制作，2014（24）.

［9］陳宏林.無線新手短兵相接--Bluetooth的同類新技術(shù)ZigBee 2004.

［10］王東，張金榮，魏延，曹長(zhǎng)修，唐政.WANG Dong.ZHANG Jin-rong.WEI Yan.CAO Chang-xiu.TANG Zheng 利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，29（8）.

［11］彭天笑，繆小紅.基于ZigBee的WPAN構(gòu)建方案［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2003（8）.