引言

　　目前中國國內(nèi)的醫(yī)院病房監(jiān)護系統(tǒng)，基本上還是通過有線方式向監(jiān)護中心傳遞數(shù)據(jù)，需要布線，要進行穿墻或過天花板，工作繁瑣，且無法自由移動和擴充，不便于維護，特別是在緊急情況下，線纜可能影響及時救治。比如病房里的呼叫系統(tǒng)都是通過有線的方式連接到護士監(jiān)控中心，呼叫按鈕裝置在病房的墻上，緊急情況下病人可能無法按動呼叫按鈕而引發(fā)危險事故。

　　尤其是人工測量患者體溫，不但增加了醫(yī)護人員的工作量，還影響病房病人的恢復休息，也不便于對病人生命體征信息的統(tǒng)計。所以研制開發(fā)低成本、低功耗、高可靠性、易擴展、配置靈活的無線病房監(jiān)護系統(tǒng)就具有普遍的意義和現(xiàn)實的價值。

　　1 短距離無線通信基礎

　　為實現(xiàn)無線節(jié)點、路由器之間的互通，必須要有相應統(tǒng)一的無線網(wǎng)絡通信標準。目前熱門的短距離互聯(lián)技術有：

　　ZigBee、超寬帶（UWB）、藍牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）、近距離無線傳輸（NFC）。其中ZigBee 是一種適合于近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接，它依據(jù)IEEE802.15.4 標準，在數(shù)千個微小的傳感器節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器節(jié)點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳節(jié)點到另一個傳感器節(jié)點，其通信效率很高，相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術， ZigBee 技術將是最低功耗和成本的技術， 其出發(fā)點就是實現(xiàn)一種易實現(xiàn)的低成本無線網(wǎng)絡，為實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡創(chuàng)造了條件。

　　以測量患者體溫和所在病房室內(nèi)溫度為例，提出了一種基于ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡病房監(jiān)護系統(tǒng)解決方案，可實時監(jiān)測患者體溫、病房環(huán)境溫度參數(shù)和患者的求助呼叫信號，同時可以對病人實現(xiàn)房間級的定位，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)護中心進行分析。

　　2 系統(tǒng)整體架構

　　整個系統(tǒng)由終端節(jié)點、路由節(jié)點、網(wǎng)關控制器（Gateway）和網(wǎng)絡主機服務器（包括WEB 服務器和數(shù)據(jù)庫服務器）組成，其中路由節(jié)點是全功能設備（FFD），終端節(jié)點是精簡功能設備（RFD）。其系統(tǒng)架構如圖1 所示。終端、路由、網(wǎng)關組成底層ZigBee 網(wǎng)絡，組網(wǎng)方式采用樹狀網(wǎng)絡，路由節(jié)點和終端節(jié)點之間通過紅外技術實現(xiàn)患者房間級定位。終端節(jié)點負責采集患者體溫數(shù)據(jù)，傳送患者呼叫信號，信息通過路由節(jié)點中繼到網(wǎng)關。網(wǎng)關為一嵌入式WEB 服務器，其負責連接遠程Internet 主機服務器和底層無線傳感器網(wǎng)絡，承擔著底層 802.15.4 協(xié)議和高層Internet 協(xié)議轉換功能，采用TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)實時存入Intranet 網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)庫服務器。

　　服務器端采用基于網(wǎng)絡的管理平臺，醫(yī)生和值班護士通過PC或PDA 等設備，以WEB 瀏覽器方式查看實時數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，及時做出診斷。

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圖1 病房監(jiān)護系統(tǒng)

　　4.1 終端節(jié)點設計

　　本系統(tǒng)的ZigBee 模塊選用TI ZigBee SoC 芯片CC2430,片上集成高性能8051 內(nèi)核、ADC、USART 等，兼容ZigBee 規(guī)范。這是一個方便用戶實現(xiàn)高性價比、高集成度的ZigBee解決方案。

　　終端節(jié)點如圖2 所示，CC2430 為終端節(jié)點的中心控制模塊，控制所有外圍設備。傳感模塊采集患者體溫，紅外接收模塊用來接收路由節(jié)點發(fā)送的位置識別碼（如病房號），終端節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時把該位置識別碼連同節(jié)點的ID 號一同傳送出去，以實現(xiàn)房間級定位。由于終端節(jié)點采用電池供電，為節(jié)省能量，當節(jié)點不需要向外發(fā)送數(shù)據(jù)時，關閉紅外接收功能。液晶模塊選用3 位8 字段式液晶模塊，用于顯示所測量的患者體溫信息。

　　終端節(jié)點亦可當作一個獨立的數(shù)字溫度計使用。按鍵和LED 模塊用于緊急呼叫，病人需要護士的幫助時，按節(jié)點上的呼叫按鈕即可向護士值班中心發(fā)送呼叫信號，呼叫信號連同患者的位置信息和患者所帶節(jié)點ID 一同傳送到護士值班中心。若呼叫信號發(fā)送失敗，則紅色LED 燈閃爍，患者可重新呼叫；若呼叫成功，則節(jié)點上紅色LED 長亮，直到護士值班室響應請求信號后，紅色LED 燈熄滅，綠色LED 燈閃爍，等待護士到來后再次按下呼叫按鈕，綠色LED 燈熄滅。

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圖2 終端節(jié)點結構

　　4.2 路由節(jié)點設計

　　路由節(jié)點結構如圖3 所示，其功能是發(fā)送參考位置識別碼，轉發(fā)終端和其他路由節(jié)點的數(shù)據(jù)。路由節(jié)點采用市電經(jīng)電源降壓轉換成直流后供電，其紅外發(fā)射模塊受處理器控制，不停向外發(fā)射一個位置識別碼信息（預先設定好），由于紅外線信號不會穿透房間里墻壁、天花板等障礙物，但在發(fā)射過程中，信號會在任何物品上發(fā)射，因此，只要終端節(jié)點位于發(fā)射范圍內(nèi)，且沒有被不透明物體完全遮蓋，那么終端節(jié)點就能接收病房內(nèi)路由節(jié)點發(fā)出的紅外線，而不會接收隔壁病房內(nèi)路由節(jié)點發(fā)射的紅外信號，這樣就能準確確定患者的位置信息。在病房外的走廊等其他位置裝上這種路由節(jié)點后，即使患者在病房外也能準確確定患者所在位置。傳感模塊用來監(jiān)測環(huán)境溫濕度和煙霧信息，在患者所在環(huán)境不適合患者時能及時采取措施，同時還兼具火災報警的功能。

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圖3 路由節(jié)點結構

　　4.3 網(wǎng)關控制器節(jié)點設計

　　網(wǎng)關由控制模塊、ZigBee 模塊、TCP/IP 模塊、觸摸屏模塊、存儲模塊、電源管理模塊、自定義鍵盤和蜂鳴器模塊，硬件架構如圖4 所示。

　　控制模塊由ST 公司的ARM9 處理器STR912 和外圍電路構成。STR912 可達到96 MIPS 的峰值性能。在ARM966E-S 內(nèi)核里能夠執(zhí)行單周期的DSP 指令，同時配備了以太網(wǎng)、USB和CAN 總線接口，內(nèi)置高達544 KB 的Flash、96 KB 的SRAM。

　　這些外設使STR912 成為一個將嵌入式應用連接到本地局域網(wǎng)或者因特網(wǎng)的理想單芯片解決方案。網(wǎng)關上的ZigBee 模塊（ZigBee Coordinator）起ZigBee 網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器作用，在控制器的控制下，負責組建、管理整個ZigBee 網(wǎng)絡，接收ZigBee 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，通過串口傳給主控制器，主控制器將數(shù)據(jù)轉換成TCP/IP 協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，通過路由器，接入到Intranet網(wǎng)絡，向Intranet 網(wǎng)絡內(nèi)的數(shù)據(jù)庫服務器實時傳送數(shù)據(jù)，控制器內(nèi)嵌入WEB 服務器，監(jiān)控端用戶可以直接登錄到嵌入式WEB 服務器查詢實時數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令，也可通過Intranet網(wǎng)絡登錄到主機服務器查詢歷史數(shù)據(jù)。查詢工具可用有WEB瀏覽器的PC 機或是PDA 等設備。存儲器模塊是用來作為數(shù)據(jù)緩存，以防Intranet 網(wǎng)絡不穩(wěn)定時，能將ZigBee 網(wǎng)絡轉發(fā)來的數(shù)據(jù)及時存儲，以防數(shù)據(jù)丟失，Intranet 網(wǎng)絡穩(wěn)定后再將數(shù)據(jù)傳送感到數(shù)據(jù)庫服務器。網(wǎng)關控制器布置在護士監(jiān)護中心，當有患者呼叫時，蜂鳴器發(fā)出呼叫信號，同時顯示發(fā)出呼叫信息的患者位置等信息，值班護士確認后蜂鳴器關閉，同時向發(fā)出呼叫的患者節(jié)點發(fā)送確認信息。護士趕到患者病房后關閉患者節(jié)點的呼叫等待狀態(tài)。

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圖4 網(wǎng)關節(jié)點結構

　　4 系統(tǒng)軟件平臺架構

　　系統(tǒng)使用IAR Embedded Workbench 平臺，在TI 公司開發(fā)的Z-Stack 協(xié)議?；A上，根據(jù)本系統(tǒng)需要裁剪修改協(xié)議棧，定制應用程序下載到節(jié)點模塊。網(wǎng)關模塊通過裁剪移植μC/OS-II 操作系統(tǒng)，通過在μC/OS-II 上移植TCP/IP 協(xié)議棧LwIP，利用μC/GUI 作為圖形界面設計工具，使用EasyWEB-API 實現(xiàn)一個動態(tài)的HTTP-Server 頁面，實現(xiàn)嵌入式web服務器定制和動態(tài)交互網(wǎng)頁設計。通過TCP/IP 模塊，將網(wǎng)關節(jié)點數(shù)據(jù)傳送到基于網(wǎng)絡管理平臺中的數(shù)據(jù)庫中。

　　基于網(wǎng)絡的管理平臺采用B/S（Browser/ Server）結構，客戶端只需裝有Web 瀏覽器即可，服務器端連接客戶端和數(shù)據(jù)服務器，負責處理來自瀏覽器用戶的請求。數(shù)據(jù)庫服務器保存系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的定義、維護、訪問、更新及管理，并響應服務器的請求[5]。采用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。遠程WEB 服務器使用微軟的ASP.NET 技術開發(fā)了基于B/S 架構的數(shù)據(jù)管理服務軟件。整個管理軟件分為前臺頁面和后臺管理兩大模塊，前臺頁面主要實現(xiàn)了用戶可視化管理，方便用戶隨時查看、統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

　　后臺管理主要有3 大模塊：①終端節(jié)點信息與患者信息的綁定與刪除；②路由節(jié)點信息與病房號綁定與刪除；③管理系統(tǒng)的維護。Intranet 用戶通過授權可以查看訪問WEB 服務器查看病人信息。Intranet 網(wǎng)絡通過防火墻和外部Internet網(wǎng)絡相連，這樣外網(wǎng)用戶只要可以接入Internet 網(wǎng)絡，通過授權就可以訪問醫(yī)院內(nèi)部的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。

　　5 結語

　　針對目前醫(yī)院監(jiān)護系統(tǒng)的局限，提出了一種基于ZigBee 和紅外技術的監(jiān)護系統(tǒng)設計，包括系統(tǒng)架構、節(jié)點硬件及軟件設計。方案基于無線網(wǎng)絡方式，實現(xiàn)了內(nèi)部網(wǎng)絡與Intranet 網(wǎng)絡的互聯(lián)，同時具備遠程監(jiān)控功能。在后續(xù)的工作中將進一步擴展終端節(jié)點的功能，如能夠同時測量除體溫以外的其他體征參數(shù)，進一步提高系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。

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