多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

安徽理工大學(xué) 趙善彬

在此次疫情期間，醫(yī)護(hù)人員嚴(yán)重缺乏，而為減輕醫(yī)護(hù)人員的工作負(fù)擔(dān)，使得醫(yī)護(hù)人員可以更好的照顧嚴(yán)重的病患，我們可以采取多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)技術(shù)。本文設(shè)計(jì)一種ZigBee的多生理參數(shù)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)病區(qū)進(jìn)行監(jiān)控的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、接收節(jié)點(diǎn)組成的無線通信模塊、OLED顯示模塊以及上位機(jī)監(jiān)視服務(wù)中心3個(gè)部分。

由于近年賴疫情的爆發(fā)，降低醫(yī)護(hù)人員在對(duì)患者進(jìn)行救治看護(hù)過程中的感染率成為緩解人員緊張以及疫情得到控制的重要研究問題。本文的ZIGBEE無線遠(yuǎn)距離生理監(jiān)護(hù)系統(tǒng)起到著重要的作用。由于現(xiàn)醫(yī)院大部分的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)都是有線，距離需求較近這較大的增加了疫情通過近距離接觸感染的可能性。并且其功能上較為單一，設(shè)備功能獨(dú)立無法實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)監(jiān)控。并且設(shè)備體積大，極大的妨礙了患者日常運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)重的限制了患者活動(dòng)半徑進(jìn)而影響其生活和情緒。隨著科技的進(jìn)步，各類傳感器的功能得到極大的開發(fā)與應(yīng)用，并且傳感器的體積也得到較大的改善，其兼容性也得到優(yōu)化。所以面對(duì)發(fā)展需求，醫(yī)院的單參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)必然需要向多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)發(fā)展，通過采用各類傳感器以及相關(guān)的軟硬件控制技術(shù)，在原有的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)高集成、儀器體積小、日常使用方便、且使用精度高的多參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)就得到社會(huì)的青睞。其中以ZIGBEE無線傳輸?shù)姆绞绞沟迷诒O(jiān)護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行過程中更加的方便，由于其低功耗、低復(fù)雜度、操作簡單使用傳輸精度高等優(yōu)點(diǎn)更是成為眾矢之的。

本文中提出將傳感器技術(shù)與Zigbee技術(shù)相結(jié)合，讓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)無線傳輸、精準(zhǔn)檢測、快速預(yù)警等效果，有效提高醫(yī)護(hù)人員的工作效率，從而進(jìn)一步使得更多患者及時(shí)得到有效治療。

1 Zigbee技術(shù)介紹

Zigbee傳輸方式是一種Zigbee聯(lián)盟制訂的，主要運(yùn)用于速率低距離較短的傳輸，目的是達(dá)到成本低、功耗低的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，是一種雙向的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與無線通訊技術(shù)，其正常工作頻段分別為868MHz、915MHz和2.4GHz，其數(shù)據(jù)傳輸率在10～250kbit/s之間，具有低速率、響應(yīng)快、高可靠性、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、自動(dòng)組網(wǎng)等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體方案

整個(gè)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面主控芯片采用8051單片機(jī)，傳感器使用體溫傳感器、血壓傳感器、脈搏、心率、血氧飽和度傳感器；體溫傳感器、血壓傳感器、心率、脈搏傳感器以及血氧飽和度傳感器，將獲取的體溫、血壓、脈搏等生理參數(shù)，通過終端節(jié)點(diǎn)，然后由無線收發(fā)模塊通過CC2530內(nèi)部的增強(qiáng)型的8051微控制器的A/D轉(zhuǎn)換電路或者恰當(dāng)?shù)腁/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再由CC2530進(jìn)行無線接收并發(fā)送到另一個(gè)作為整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的Zigbee模塊，最后通過OLED顯示屏顯示給陪護(hù)人員以及巡視醫(yī)護(hù)人員，并通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)監(jiān)視服務(wù)中心的服務(wù)人員進(jìn)行監(jiān)視與儲(chǔ)存處理。方便了醫(yī)護(hù)人員的日常工作，提高了工作效率。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中主要是需要兩個(gè)CC2530模塊，一個(gè)利用CC2530模塊內(nèi)部的8051單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集處理模塊，另一個(gè)利用天線和射頻芯片組成的無線接收部分。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集模塊主要包括如體溫、血壓、心率等傳感器采集電路。數(shù)據(jù)處理模塊主要存在一些微處理器和外圍電路，其中采集到的數(shù)據(jù)通過微處理器作出相應(yīng)監(jiān)管，允許終端節(jié)點(diǎn)的加入和離開，并且接受并且存儲(chǔ)由終端節(jié)點(diǎn)采集來的信息，然后將所接收到的信息進(jìn)行顯示。其中主要包括如OLED顯示電路、復(fù)位電路等。最后將處理好的信息通過天線射頻的方式發(fā)送出去。無線接收模塊主要是根據(jù)制定協(xié)議，在將射頻信號(hào)通過內(nèi)部電路進(jìn)行分析并展示，通過內(nèi)部時(shí)鐘電路以及匹配電路分別確定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，匹配到相應(yīng)信息終端號(hào)。供電模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的能量供應(yīng)，滿足工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)和電量需求，并達(dá)到低耗能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)供上電后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化過程，以自組網(wǎng)的方式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接成功后，外部中斷信號(hào)沒有發(fā)給CC2530時(shí)，采集結(jié)點(diǎn)將處于休眠低功耗狀態(tài)。在產(chǎn)生中斷信號(hào)后，采集結(jié)點(diǎn)上電被激活，進(jìn)入采集工作狀態(tài)并發(fā)送數(shù)據(jù)。在外部中斷信號(hào)消失后，再次進(jìn)入低功耗狀態(tài)。根據(jù)Zigbee模塊的唯一性，每個(gè)模塊都會(huì)有唯一的地址位，在與采集處理的CC2530模塊進(jìn)行連接時(shí)，都可以根據(jù)這個(gè)唯一地址進(jìn)行匹配，使得節(jié)點(diǎn)與接收終端處于同一網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到接收條件時(shí)，會(huì)及時(shí)采集數(shù)據(jù)并將其數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)中，再由單片機(jī)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、加碼進(jìn)行發(fā)送，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮战K端網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器采集結(jié)點(diǎn)工作流程圖

當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，自主的會(huì)組建一個(gè)屬于自己的新網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)在其輻射的范圍內(nèi)搜索是否有還未連接的終端采集節(jié)點(diǎn)，并該終端已經(jīng)向其自建網(wǎng)絡(luò)發(fā)出加入申請指令。若存在節(jié)點(diǎn)申請沒加入，協(xié)調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)層會(huì)給未加入的節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)新的地址位，且具有唯一性。協(xié)調(diào)器需要數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，會(huì)向終端采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請求指令，要求其將數(shù)據(jù)采集結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

總結(jié)：此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，患者將采集節(jié)點(diǎn)佩戴在身上，傳感器可以隨時(shí)精準(zhǔn)采集到患者的信息，并且在過程中采用無線傳輸技術(shù)，不影響患者的自由活動(dòng)，大大降低了醫(yī)患接觸感染病菌的可能性。通過OLED顯示電路，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合顯示和管理，通過上位機(jī)可以及時(shí)對(duì)每個(gè)患者的情況進(jìn)行及時(shí)掌握。本系統(tǒng)使用無線傳輸Zigbee技術(shù)，它在中距離傳輸上精度高、可靠性也優(yōu)于其他方式。將其運(yùn)用在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中可以很好的體現(xiàn)其成本需求低、復(fù)雜度低、使用過程中伸縮性好的特點(diǎn)。