基于ZigBee的病房無(wú)線呼叫系統(tǒng)

陳加林　楊懷德　陳俞強(qiáng)

摘要：為解決醫(yī)院病房有線呼叫系統(tǒng)存在的布線復(fù)雜、系統(tǒng)兼容性差、靈活性不足的問(wèn)題，提出了一種基于ZigBee的無(wú)線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該呼叫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、總體結(jié)構(gòu)及各主要功能模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述。結(jié)果表明，該系統(tǒng)布線成本低、使用靈活、具有一定的抗干擾性，能夠滿足醫(yī)院的臨時(shí)實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線呼叫系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）04-0204-03

1 引言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城鎮(zhèn)常駐人口的數(shù)量與日俱增，特別是在沿海發(fā)達(dá)城市，每年都有大量的勞動(dòng)力涌入。城市人口數(shù)量的劇增給城市的公共服務(wù)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，特別是醫(yī)療系統(tǒng)，目前各大醫(yī)院時(shí)常人滿為患，經(jīng)常出現(xiàn)醫(yī)療資源不足，資源分配不合理的情況[1-2]。為了解決醫(yī)療資源不足和患者需求難以滿足的矛盾，政府一方面通過(guò)增加醫(yī)院數(shù)量和醫(yī)療人員的數(shù)量來(lái)緩解這一問(wèn)題，另一方面積極開展現(xiàn)有醫(yī)院服務(wù)的升級(jí)，將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)引入到醫(yī)院各服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有資源的合理調(diào)度分配，提升醫(yī)院的服務(wù)效率[3]。目前已經(jīng)有許多醫(yī)院采用了醫(yī)院呼叫系統(tǒng)方便患者與醫(yī)生之間的溝通，減少病人與醫(yī)院之間不必要的矛盾。然而現(xiàn)有醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)大多為有線通信方式[4]，安裝復(fù)雜，不易擴(kuò)展，報(bào)警信號(hào)是否被接收不能得到確認(rèn)，并且設(shè)計(jì)者們通常只考慮將護(hù)士站與病房作為報(bào)警信息收發(fā)的2個(gè)方面，而并未考慮到護(hù)士離開護(hù)士站而無(wú)人響應(yīng)報(bào)警信息的情況.另外，應(yīng)考慮到呼叫系統(tǒng)使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備工作時(shí)不能對(duì)醫(yī)療設(shè)備和病人產(chǎn)生干擾和輻射[5]。為解決目前很多醫(yī)院病房都裝有供病人使用的呼叫系統(tǒng)，其中多數(shù)為有線系統(tǒng)。按鈕被固定在床頭墻面上，使用起來(lái)不太方便，緊急情況下甚至起不到作用（如心臟病人在上廁所時(shí)突感不適，卻夠不到呼叫按鈕）[6]。有些醫(yī)院采用了無(wú)線呼叫系統(tǒng)，但卻存在功能單一、穩(wěn)定性差、射頻干擾大、組網(wǎng)能力低等問(wèn)題[7]。

針對(duì)上述不足，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套基于ZigBee協(xié)議的新型多功能無(wú)線服務(wù)系統(tǒng)，可借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送包括呼叫在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)信息，且具有優(yōu)良的電磁兼容性能，方便了病人與醫(yī)護(hù)人員的信息溝通，對(duì)提高醫(yī)院的護(hù)理水平具有積極意義。

2 系統(tǒng)的主要功能

病房無(wú)線呼叫系統(tǒng)包括移動(dòng)呼叫器（終端設(shè)備）、病房門口機(jī)（路由器）、護(hù)士站主機(jī)（協(xié)調(diào)器）和移動(dòng)接收機(jī)（終端設(shè)備）共4類設(shè)備，以病區(qū)或樓層為布局單位，構(gòu)成圖1所示的ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)。病人持移動(dòng)呼叫器在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)活動(dòng)，需要服務(wù)時(shí)，按下普通呼叫或緊急呼叫按鈕，呼叫器便立即發(fā)出呼叫請(qǐng)求，并通過(guò)各病房門口機(jī)組成的路由網(wǎng)絡(luò)傳送至護(hù)士站主機(jī)[2]。此外，呼叫器還帶有溫度傳感器以及脈搏傳感器和輸液報(bào)警傳感器接口，可在需要時(shí)將溫度、脈搏和輸液報(bào)警信息無(wú)線傳送到護(hù)士站主機(jī)。護(hù)士站主機(jī)通過(guò)串行接口與一臺(tái)PC機(jī)固定連接，在PC機(jī)上位軟件的控制下，對(duì)收到的各類信息進(jìn)行存儲(chǔ)、聲光提示、繪圖、打印、分析等處理[8]。

值班護(hù)士不在護(hù)士站現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，呼叫及輸液報(bào)警信息還可無(wú)線轉(zhuǎn)發(fā)到護(hù)士隨身攜帶的移動(dòng)接收機(jī)上，以便及時(shí)做出響應(yīng)。

上述4類設(shè)備均采用內(nèi)置IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的32位無(wú)線微控制器模塊，每個(gè)模塊具有唯一的64位MAC地址以及動(dòng)態(tài)分配的16位邏輯地址。數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，根據(jù)ZigBee協(xié)議要求，使用16位網(wǎng)絡(luò)地址。不過(guò)，為避免因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化造成的邏輯地址沖突，提高數(shù)據(jù)源辨識(shí)的正確性，64位MAC地址也作為數(shù)據(jù)載荷的一部分被傳輸?shù)阶o(hù)士站主機(jī)或移動(dòng)接收機(jī)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 核心模塊

病房無(wú)線呼叫系統(tǒng)中，移動(dòng)呼叫器、護(hù)士站主機(jī)、病房門口機(jī)、移動(dòng)接收機(jī)所采用的32位無(wú)線微控制器模塊系將32位無(wú)線微控制器、晶振、串行FLASH存儲(chǔ)器、天線及其接口裝配在一塊微型PCB板上制成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

32位無(wú)線微控制器本身已經(jīng)是一個(gè)高度集成的SOC（片上系統(tǒng)），內(nèi)部包含32位RISCCPU、2.4GHzIEEE802.15.4射頻收發(fā)器以及192KBROM、96KBRAM、5路SPI口、2個(gè)UART串口、與I2C/SMbus兼容的兩線串口、21路并行接口、2個(gè)通用可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、2個(gè)喚醒定時(shí)器、一個(gè)Tick定時(shí)器、4路12位A/D轉(zhuǎn)換器、2路11位D/A、2個(gè)模擬比較器等資源，ROM存儲(chǔ)器中固化了ZigBee協(xié)議代碼。該無(wú)線微控制器具有較強(qiáng)的協(xié)議處理和邏輯控制能力以及優(yōu)良的加密性能和先進(jìn)的電源管理機(jī)制，有助于簡(jiǎn)化病房無(wú)線服務(wù)系統(tǒng)中各類設(shè)備的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

3.2 移動(dòng)呼叫器

圖3為移動(dòng)呼叫器的硬件結(jié)構(gòu)圖。其中，U1是內(nèi)置IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的32位無(wú)線微控制器模塊，該模塊通過(guò)各輸入、輸出口線與一般呼叫按鈕K1、緊急呼叫按鈕K2、輸液報(bào)警探頭S1、脈搏傳感器S2、溫度傳感器TS、蜂鳴器BZ1以及發(fā)光管L1、L2相連，電阻R3和三極管T1實(shí)現(xiàn)蜂鳴器BZ1的功率驅(qū)動(dòng)，電阻R1和電阻R2為發(fā)光管L1、發(fā)光管L2的限流電阻。移動(dòng)呼叫器使用3VAAA型堿性電池供電，程序中利用32位控制器休眠電流非常小的特點(diǎn)，通過(guò)降低工作占空比等措施，有效控制了移動(dòng)呼叫器的平均功耗，延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

3.3 病房門口機(jī)

圖4為病房門口機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖。病房門口機(jī)的作用是作為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的路由器，為移動(dòng)呼叫器與護(hù)士站主機(jī)之間的雙向信息傳遞提供路由服務(wù)。病房門口機(jī)只需要一個(gè)發(fā)光管用于狀態(tài)指示，每轉(zhuǎn)發(fā)一幀數(shù)據(jù)，發(fā)光管都閃爍一下，可借此判別門口機(jī)是否正常。圖4中，U2是內(nèi)置IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的32位無(wú)線微控制器模塊，其通過(guò)一根輸出口線與發(fā)光管L3相連，電阻R4為發(fā)光管L3的限流電阻。電容C1、C2為電源濾波電容，可提高電源品質(zhì)。病房門口機(jī)使用5V穩(wěn)壓電源供電。

3.4 護(hù)士站主機(jī)

圖5為護(hù)士站主機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖。圖中，U3是內(nèi)置IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議的32位無(wú)線微控制器模塊，其通過(guò)各輸入、輸出口線與大屏幕液晶顯示器LCM、蜂鳴器BZ2、矩陣鍵盤KBD和串口電平轉(zhuǎn)換器U4相連。電阻R5和三極管T3用來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶顯示器LCM的背光燈。液晶顯示器LCM在收到信息或按下按鍵時(shí)其背光燈立刻點(diǎn)亮，30s后自動(dòng)熄滅。電位器W1用于調(diào)整液晶顯示的對(duì)比度。矩陣鍵盤KBD包括16個(gè)按鍵，分別為數(shù)字鍵0-9、“確認(rèn)”鍵、“取消”鍵、“上翻”鍵、“下翻”鍵、“體溫測(cè)量”鍵、“調(diào)時(shí)”鍵。

串口電平轉(zhuǎn)換器U4和串口插座J1實(shí)現(xiàn)護(hù)士站主機(jī)與PC機(jī)的連接。在PC機(jī)上位軟件的控制下，對(duì)收到的各類信息進(jìn)行存儲(chǔ)、聲光提示、繪圖、打印、分析等處理。護(hù)士站主機(jī)也使用5V穩(wěn)壓電源供電。

3.5 移動(dòng)接收器

移動(dòng)接收器供護(hù)士離開護(hù)士站時(shí)隨身攜帶，其硬件結(jié)構(gòu)與護(hù)士站主機(jī)類似，只是LCM顯示屏略小一些，另外，還去掉了串口電平轉(zhuǎn)換器和PC通信結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的病房無(wú)線呼叫系統(tǒng)，并給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案和各主要功能模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。結(jié)果表明，該系統(tǒng)方便了病人與醫(yī)護(hù)人員的信息溝通，不僅能夠提高醫(yī)院的護(hù)理水平和競(jìng)爭(zhēng)力，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，另外在改善醫(yī)患關(guān)系，建設(shè)和諧醫(yī)院方面，也能發(fā)揮重要的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

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