基于ZigBee的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姬智

摘 要：近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)等智能化技術(shù)發(fā)展迅猛，其中，ZigBee技術(shù)屬于短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸速率低、成本小、功耗低、穩(wěn)定和靈活等特點(diǎn)，受到社會(huì)各界廣泛的關(guān)注。本文主要探討根據(jù)ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線病房呼叫系統(tǒng)，以滿足醫(yī)院對(duì)病房呼叫系統(tǒng)的需求，方便患者應(yīng)用，提高護(hù)理服務(wù)質(zhì)量，為廣大患者提供更加優(yōu)質(zhì)、全面、系統(tǒng)的服務(wù)，提高患者的滿意度。本設(shè)計(jì)方案以CC2530型芯片作為主控芯片，配有液晶顯示屏和按鍵，兼具報(bào)警、振動(dòng)等功能，便于醫(yī)護(hù)人員與患者進(jìn)行實(shí)時(shí)交流和溝通。本設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程并經(jīng)過(guò)仿真論證，能夠確保系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，有助于及時(shí)滿足患者的治療和康復(fù)需求。

關(guān)鍵詞：ZigBee;醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng);功耗;網(wǎng)絡(luò)容量;傳輸速率;患者滿意度

中圖分類號(hào)：R197.3;TN92文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0030-03

Abstract： In recent years， intelligent technologies such as wireless technology have developed rapidly， among them， ZigBee technology belongs to short-distance wireless communication technology， which has the characteristics of large network capacity， low transmission rate， low cost， low power consumption， stability and flexibility， and has attracted wide attention from all walks of life. This paper mainly discussed the wireless ward call system designed according to ZigBee technology to meet the hospital's demand for the ward call system， facilitate patient application， improve the quality of nursing service， provide more high-quality， comprehensive and systematic services for the majority of patients， and improve patient satisfaction. This design uses the CC2530 chip as the main control chip， equipped with an LCD display and buttons， and has functions such as alarm and vibration， which facilitates real-time communication and communication between medical staff and patients. This design adopts C language programming and has undergone simulation demonstration， which can ensure the efficient operation of the system and help to meet the treatment and rehabilitation needs of patients in time.

Keywords： ZigBee;hospital ward call system;power consumption;network capacity;transmission rate;patient satisfaction

基于ZigBee的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)具有呼叫、顯示、監(jiān)聽(tīng)及信息存儲(chǔ)等功能，便于對(duì)醫(yī)院進(jìn)行智能化管理，有利于患者及其家屬及時(shí)呼叫護(hù)士，同時(shí)有助于護(hù)士及時(shí)準(zhǔn)確判斷患者病情并及時(shí)反饋給臨床醫(yī)生，提高救治效率，改善患者生存品質(zhì)。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)能夠滿足低價(jià)位的小體積裝置組網(wǎng)與控制需求，在家庭、商業(yè)及工業(yè)等智能化、自動(dòng)化進(jìn)程中均發(fā)揮著非常重要的推動(dòng)作用。該技術(shù)具有可靠性高、復(fù)雜度低、功耗小和成本低等特點(diǎn)，屬于新型短距離雙向無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以ZigBee協(xié)議棧為核心部分，與傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧存在較大差異。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)病房呼叫系統(tǒng)主要包括傳統(tǒng)的硬件布線式呼叫系統(tǒng)及無(wú)線式呼叫系統(tǒng)，存在設(shè)備功能簡(jiǎn)單、安裝難度大、維護(hù)成本高以及管理復(fù)雜等特點(diǎn)，也存在接觸不良、線路老化等安全隱患，醫(yī)生及護(hù)士無(wú)法及時(shí)為患者提供醫(yī)護(hù)服務(wù)[1]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性、靈活性與可靠性，分析醫(yī)院電磁環(huán)境造成的影響、系統(tǒng)便攜端能耗問(wèn)題、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)覆蓋面等方面，確保所設(shè)計(jì)系統(tǒng)尤其是便攜終端具有良好的延展性。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路原理圖主要包括CC2530最小系統(tǒng)模塊、接口模塊、按鍵模塊、聲光報(bào)警模塊、振動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)模塊以及電源穩(wěn)壓模塊等。

2.1.1 CC2530最小系統(tǒng)。它包含電源供給、天線耦合電路、外部晶振電路和RC復(fù)位電路等必要電路。其中，天線耦合電路由前端射頻天線耦合而成，為最佳射頻電路。外部晶振電路由CC2530內(nèi)部集成無(wú)線射頻收發(fā)，為了保證系統(tǒng)時(shí)序的精確性，必須應(yīng)用高精度晶振，此外，還需要通過(guò)降頻、倍頻使射頻及低功耗等功能得到實(shí)現(xiàn)。RC復(fù)位電路與C51單片機(jī)使用原理相同，均為利用電容的充電及放電特性，最后加上GND及電源即可構(gòu)建CC2530最小系統(tǒng)。

2.1.2 報(bào)警電路。其主要包括振動(dòng)馬達(dá)模塊及聲光報(bào)警模塊。震動(dòng)馬達(dá)以NPN型三極管為開(kāi)關(guān)管，作為感性元件，馬達(dá)啟動(dòng)或者停止的瞬間內(nèi)部電流及磁場(chǎng)可對(duì)原磁場(chǎng)方向變化產(chǎn)生阻礙作用并產(chǎn)生反向電壓。為了避免反向電壓擊穿NPN三極管，必須為電路設(shè)計(jì)保護(hù)裝置，通過(guò)添加二極管的方式消耗掉反向電壓生成的電流。當(dāng)處于低電平狀態(tài)時(shí)，馬達(dá)停止運(yùn)行，而處于高電平狀態(tài)時(shí)，馬達(dá)則正常運(yùn)行。聲光提示驅(qū)動(dòng)電路主體部分包括限流電阻2個(gè)、LED燈1個(gè)、蜂鳴器1個(gè)以及NPN型三極管（S8050）1個(gè)。聲光報(bào)警模塊工作原理為基于三極管工作狀態(tài)，NPN三極管引腳可分為基級(jí)、發(fā)射極以及集電極，發(fā)射極接地GND，給予基極高電平時(shí)，發(fā)射極及集電極導(dǎo)通，集電極上負(fù)載即可獲得電流回路。5 V電源釋放的電流分別流經(jīng)負(fù)載蜂鳴器、LED燈、電阻以及NPN三極管的集電極，最終回流至發(fā)射極及電源GND，能夠保證電流回路的完整性并負(fù)載工作。發(fā)射極接地GND且基極施加低電平時(shí)，發(fā)射極及集電極時(shí)間截止，可阻礙集電極上電流向GND回流，負(fù)載停止工作。據(jù)此，可通過(guò)CC250 IO口直接控制LED燈及蜂鳴器。此外，還可通過(guò)該方法控制負(fù)載三極管[2]。

2.1.3 按鍵電路。按鍵電路根據(jù)CC2530 IO口的高電平特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，IO口檢測(cè)到低電平時(shí)則表明按鍵按下。但是，因按鍵存在機(jī)械抖動(dòng)等特點(diǎn)，可通過(guò)軟件將GND與按鍵另一端相連，按下按鍵時(shí)對(duì)應(yīng)IO口即可變成低電平。主要采用上拉電阻的方式確保按鍵狀態(tài)的穩(wěn)定性，此外，由于CC2530 IO口內(nèi)部有上拉電阻，可通過(guò)軟件進(jìn)行配置，而且無(wú)須于外部添加上拉電阻。

2.1.4 電源穩(wěn)壓電路。電源穩(wěn)壓電路電源為能量供應(yīng)來(lái)源，在電路系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用。優(yōu)質(zhì)電源對(duì)于保持電路系統(tǒng)穩(wěn)定有重要價(jià)值，質(zhì)量不佳電源容易導(dǎo)致電路系統(tǒng)崩潰，甚至出現(xiàn)電路損壞現(xiàn)象。電流參數(shù)包括電壓輸出值、電流輸出能力以及電源紋波。電壓輸出值即為最終轉(zhuǎn)換后的電壓值;電流輸出能力表明電源帶動(dòng)負(fù)載大小及提供功率的大小。以5 V為系統(tǒng)輸入電源，可通過(guò)降壓獲得3.3 V電源。由于CC2530為低功耗芯片，采用LDO線性穩(wěn)壓器，此次研究采用AMS1117-3.3V LDO線性穩(wěn)壓器型，其屬于低成本線性穩(wěn)壓器。AMS1117-3.3V芯片共有四個(gè)管腳，第1個(gè)管腳應(yīng)用于電源接地，第2、4個(gè)管腳應(yīng)用于電源輸出，第3個(gè)管腳應(yīng)用于電源輸入，具有應(yīng)用方便等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)控制、醫(yī)療器械、智能家電控制、電視等電子產(chǎn)品。其間分別于電源輸入部分及輸出部分添加穩(wěn)壓電容，即可獲得具有極小紋波的電源輸出。在輸入端為5 V情況下，AMS1117-3.3V可輸出IA電流能力為3.3 V的電源電壓[3]。

2.1.5 接口電路。接口電路音播報(bào)模塊之間的交互接口應(yīng)用UART串口通信，處于通信狀態(tài)時(shí)，波特率為9 600。其以SPI接口為屏幕接口，可應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)OLED128×64屏幕。同時(shí)，其應(yīng)用由TI公司設(shè)計(jì)的調(diào)試仿真接口，可對(duì)下載程序進(jìn)行單步調(diào)試，應(yīng)用方便。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括ZigBee終端部分及ZigBee協(xié)調(diào)器部分。

2.2.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。本設(shè)計(jì)以IAR8051為軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，與KEIL相比，其IAR編譯效率更高，在確保相同功能代碼實(shí)現(xiàn)時(shí)，IAR編譯輸出的文件占用程序空間為A，KEIL編譯輸出占用程序空間為A+B，由于單片機(jī)資源相對(duì)有限，因此以IAR為CC2530開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要原因在于IAR占用資源少且具有編譯效率高等特點(diǎn)。

2.2.2 ZigBee終端程序設(shè)計(jì)。ZigBee終端程序設(shè)計(jì)程序開(kāi)始后，初始化ZigBee協(xié)議棧，包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)搜索及注冊(cè)等基礎(chǔ)代碼，可由ZigBee協(xié)議棧自動(dòng)完成，程序執(zhí)行timer定時(shí)器初始化，有助于保證定時(shí)事件及延時(shí)事件的精確性。然后，初始化uart串口，程序調(diào)試時(shí)程序變量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及程序運(yùn)用至何處，均可自u(píng)art串口獲取。最后，key按鍵程序進(jìn)行初始化。按鍵在松手或者按下時(shí)均會(huì)出現(xiàn)機(jī)械抖動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致按鍵狀態(tài)發(fā)生變化。因此，可運(yùn)用按鍵狀態(tài)機(jī)思想以及timer定時(shí)器使抖動(dòng)得到消除，減少系統(tǒng)資源浪費(fèi)。所用功能初始化后，程序即可進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)中ZigBee終端主要判斷兩個(gè)事件，包括按鍵是否按下以及是否接收到無(wú)線數(shù)據(jù)。接收到無(wú)線數(shù)據(jù)后，ZigBee終端可對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)是否為呼叫命令做出準(zhǔn)確判斷，ZigBee終端均有一個(gè)地址，呼叫命令中第一個(gè)字節(jié)即為呼叫地址，若自身地址與命令中地址保持吻合，則表明護(hù)士站正在呼叫該病床。震動(dòng)馬達(dá)及蜂鳴器同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行提示。按鍵按下后，對(duì)呼叫鍵及取消鍵進(jìn)行判斷并將ZigBee終端自身編號(hào)及鍵值打包傳輸至ZigBee協(xié)調(diào)器，然后由協(xié)調(diào)器進(jìn)行處理，可使自ZigBee終端呼叫至ZigBee服務(wù)臺(tái)的過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)[4-5]。

2.2.3 ZigBee協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)。ZigBee協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)開(kāi)始后，與ZigBee終端一致的部分驅(qū)動(dòng)代碼獲得執(zhí)行，ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行初始化，timer等功能得到驅(qū)動(dòng)后，OLED屏幕驅(qū)動(dòng)獲得執(zhí)行，程序進(jìn)入循環(huán)。循環(huán)中，ZigBee協(xié)調(diào)器無(wú)線循環(huán)可對(duì)三個(gè)事件進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，包括是否接收到無(wú)線數(shù)據(jù)、按鍵是否按下以及屏幕是否更新。ZigBee協(xié)調(diào)器接收到無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)，可對(duì)是否為呼叫命令做出判斷，第一個(gè)字節(jié)為呼吸發(fā)起地址，可根據(jù)該地址明確病床號(hào)，結(jié)合呼叫者地址及時(shí)更新屏幕內(nèi)容并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。按下按鍵時(shí)，可判斷是取消鍵還是呼叫鍵并可將鍵值通過(guò)無(wú)線送至ZigBee終端進(jìn)行處理。接收到無(wú)線數(shù)據(jù)或者按鍵按下后，即可結(jié)合處理結(jié)果更新屏幕[6]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

應(yīng)用控制變量法進(jìn)行相關(guān)功能驗(yàn)證，在其他條件一致的情況下，護(hù)士站呼叫ZigBee終端后，終端可產(chǎn)生響應(yīng)，主要包括振動(dòng)電機(jī)振動(dòng)及蜂鳴器鳴叫等，同時(shí)可配合語(yǔ)音播報(bào)。若ZigBee終端取消呼叫護(hù)士站，護(hù)士站立即響應(yīng)，表現(xiàn)為屏幕內(nèi)容更新、ZigBee終端顯示在屏幕上的編號(hào)被刪除以及振動(dòng)、蜂鳴器鳴叫停止、語(yǔ)音播報(bào)關(guān)閉等。所有功能均得到驗(yàn)證，能夠使系統(tǒng)要求得到充分滿足。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有安裝及擴(kuò)展方便、成本低以及可靠性高等特點(diǎn)，能夠避免既往有效呼叫系統(tǒng)存在的相關(guān)問(wèn)題，而且ZigBee網(wǎng)絡(luò)還具有自組網(wǎng)特性，既能夠有效管理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還能夠減少無(wú)線信號(hào)沖突等相關(guān)問(wèn)題。此外，ZigBee支持雙向通信，而且組網(wǎng)簡(jiǎn)單，可為護(hù)士中心及患者節(jié)點(diǎn)提供暢通無(wú)阻的通信通道，其不僅具有呼叫系統(tǒng)基本呼叫及取消功能，還具有無(wú)線雙向呼叫功能，能夠大大提升護(hù)士站對(duì)患者的呼叫效率，也方便患者隨時(shí)尋求醫(yī)護(hù)人員幫助，有助于醫(yī)護(hù)人員及時(shí)為患者提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，這樣能夠節(jié)省物力及人力資源，防止呼叫不及時(shí)而造成患者身心健康受損進(jìn)而引發(fā)醫(yī)療糾紛。

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