基于无线传感器网络的病房监控系统设计

罗 宁，杨宇红

（1.中国人民解放军93995部队 陕西 西安 710306；2.上海交通大学 上海 200240）

目前医院中对病人输液和血压心跳等生理特征的监测大多采用人工进行，且需病人配合，此类日夜不停的监测任务加重了医务人员与患者的负担，特别是在晚上，更容易在昏昏欲睡时出现不应有的事故，这就导致了医疗监测的效率低下和一定程度的不安全性，造成了医务人员不能及时得到相关数据、及时发现异常情况和缺乏输液速度、结束提示等问题[1-2]。

针对以上问题，本文设计了一种基于无线传感器网络、能对病人的状态（包括病人的输液状况和病人心跳、血压等数据）自动进行采集和传输的病房监控系统，实现了输液和血压心跳等生理特征监测的自动化、智能化。设计中采用重力传感器监测输液的液量、速度及输液过程，采用生理传感器检测病人的血压、心跳等生理特征，并实现了自动测试、自动报警等功能；系统中的数据传输采用基于Zigbee技术的无线传感器网络，将各监测点作为无线传感器节点，定时将各个节点采集的信息通过自动路由传输给控制台中心机。在控制台中心机上，自动比较各项数据是否在正常范围内，并及时对异常情况发出警报；控制台中心机还能自动发送病人特征数据定时监测指令给监测点，以便监测点做出相应的处置。这就大大降低了护理强度，减小了人为疏忽造成的医疗事故，从而极大地提高了医疗效率和质量。

1 低功耗无线传感网络的系统架构

本文设计的基于无线传感器网络的病房监控系统中采用ZigBee网络协议栈支持网状拓扑结构，使得整个网络拥有很高的可靠性，广阔的覆盖范围和简单的部署方式；采用ZigBee技术的另一个原因，是因为它是一种适合低速率、短距离数据传输，且功耗很低的无线通信技术。

在ZigBee网络中，有3种逻辑设备类型，它们分别是：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End-device）。一个ZigBee网络包括一个协调器以及多个路由器和终端设备。协调器包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立整个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。路由器能够提供路由服务的网络设备，能够实现网络数据包的转发，路由设备也能够充当终端节点使用，但是路由器不能够进入睡眠模式。终端设备是网络拓扑结构中的叶子节点，它们仅与它们的父节点相互通讯，并且不能够提供路由服务[3-4]。

设计的系统总体框架如图1所示，无线网络的监控服务系统，为一个分布式传感网，包括控制台中心机和输液监控节点。图中1为控制台中心机，配置为无线传感器网络的协调器。图中2至n为输液监控节点，对应无线网络的终端设备，也可作路由器。控制台中心机可以与输液监控节点直接通信，输液监控节点间也可通过无线信号相互通信，当远处的监控节点或与监控中心间通信信号被屏蔽时，输液监控节点可以通过同类监控节点将其液面信号及病人生理信息传输至控制台中心机。在一个病房监控系统中，控制台中心机数量为1，输液监控节点数可动态配置。输液监控节点间及控制台中心机之间采用IEEE 802.X/Zigbee协议进行通信。即1通过发送一个广播信息将自已的身份广播给周围的节点，节点2至n将1的地址记录在自已的地址表中，然后向1发送请求，表明自已要加入1建立的网络中，如果1同意接收某个节点的数据，就给该节点发送一个确认信息，节点2至n收到确认信息后以路由器的身份加入网络，并且开始以一定的间隔向1发送数据。

图1 监控系统总体框架图Fig.1 Structure diagram of the monitoring system

该系统的硬件实现采用了多个基于STM32W108（Cortex-M3内核）无线SOC芯片的节点板组成的ADKSTM32W-SK嵌入式无线通信开发套件，节点板上内嵌了Zigbee PRO/IEEE 802.15.4协议栈，带有射频功放，并可选择安装多种传感器。通过调用ZigBee PRO的专用软件库，即安装EmberZNet栈软件，提供创建ZigBee无线个域网所需的基本功能，就可以在应用层上进行相应的开发[5-6]。

2 控制台中心机的模块设计实现

控制台中心机核心模块采用ARM Cortex-M3处理器，具有较高的性能和较低的动态功耗，是专门针对微控制器应用开发的主流ARM处理器。控制台中心板上采用固定电源，上电后CPU进行初始化，启动应用程序。根据ADK-STM32WSK无线通信开发套件所提供的软件库，建立基于ZigBee Pro协议栈的mesh网络。由控制台中心机负责发送网络信标，建立安全有序的网络，接收所有输液结点上发送的信息，控制台中心机可以与任意一个输液监控节点通过无线信号相关联。除此之外，系统的控制台中心机还应具备如下功能：

1）剩余输液量或剩余输液时间的实时显示；将各输液点的残余重量与门限值对比，预测该输液点剩余输液时间，对即将结束的输液节点进行报警；

2）病人生理状态数据显示；将病人生理状态值与正常范围对比，对于不正常的状态发出声光报警；

3）输液节点工作状态显示及声光提示；

4）应急召唤显示及声光提示；

5）控制台信息历史记录等。

中心板配置有串口或USB转串口可与PC的超级终端通信，从而可将调试和程序运行状态以及输液系统相关信息在PC的显示器上显示。

主程序运行包括如下几个步骤：

1）初始化 HAL；

2）开中断；

3）初始化串口；

4）检查复位信息；

5）调用 emberInit（）；

6）初始化应用程序状态；

7）设置安全密钥；

8）新建或重建之前的网络；

9）进入应用子程序所在的循环（流程框图如图2所示），其中应用子程序的功能包括加入网络计时，定时广播，定时改变密钥，检查按键状态，接收sensor传送的数据进行相关的处理和显示等。

图2 控制台中心机应用子程序流程框图Fig.2 Flow chart of the software design for the control center

3 输液监测节点的模块设计实现

系统的监测节点采用的传感器主要有3种：一是重力传感器，位于挂钩与输液瓶之间，用于感知输液瓶/袋及其药水重量，产生于瓶重相关的电信号；二是体征感应单元，主要检测病人的血压心跳等生理特征，并转换成电信号；三是开关节点传感器，用于病人的应急传呼。

系统的每个监测节点上都布置网络终端设备，也作为路由器，负责接收传感器信息并发送给控制台中心机（中间可能经过多级路由）。各个节点具有的主要功能如下：

1）输液残余液体重量及病人生理状况检测；由医生根据病人用药不同，为每个输液终端设置报警门限；

2）应急呼叫响应；

3）输液节点状态信息的发送。每个输液节点采用间歇睡眠方式，每隔数秒钟计算输液瓶及其所含药水分量并检测病人的生理状态，并将该信息通过相应的路由最终传送至控制台中心机

4）无线传感网络中的中继节点。

5）输液监控节点具有对电源进行检测的功能，当电池电量低于预设门限时，向控制台中心预警，提示更换电池。

输液监控点有两种布局方式：

①低功耗方式：根据应用场景及已布局好的无线传感器间信号强度，为每个传感器节点设置固定的通信伙伴；

②智能工作方式：通过侦测无线信号强度，采用优化算法实现动态的网络节点间的通信关系设置；

系统监测节点模块硬件组成如图3所示，包括微处理器（MCU）、电源、按键检测电路，WiFi通信模块和传感器等组成。其中电源模块为2节1.5 V电池，实现对系统供电；MCU为低功耗单片机，上电后初始化，对WiFi无线通信模块进行配置，对传感器输入数据进行处理。检测电路为简单开关电路，用于病人的突发呼叫。WiFi通信模块采用IEEE802.x/Zigbee协议，实现无线模块间的组网及通信。

图3 系统监测节点模块Fig.3 The modules of the monitoring node

主机MCU为节点模块的核心部分，负责与控制台中心机的联网通信，接收传感器数据，进行处理后在本地监视器上显示或启动声光提醒装置，还需将相关数据发送给控制台中心机，其上的主程序运行步骤与中心机基本相同，不过是以路由器是身份加入到中心机所建立的网路中。而其应用子程序所在的循环的流程框图如图4所示，其中应用子程序的主要功能在于准备好传感器数据，然后通过与控制台中心机的通信协议将数据发送给中心机。

4 节点自动路由的设计

监控系统采用的ZigBee网络的所有节点都有两个地址：一个16位网络短地址和一个64位IEEE扩展地址。其中16位网络地址仅仅在网络内部使用，用于路由机制和数据传输。这个地址是在节点加入网络时由其父节点动态分配的。当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，它们之间就形成了父子关系。

图4 节点MCU程序流程框图Fig.4 MCU software design Flow chart of the node

当场景环境简单，通信信号强度较好时，控制台中心机可以担当路由器，作为根节点与输液监控节点间进行通信。如果环境不理想，有部分输液节点与中心机间无法直接建立联系，但可以与其它节点连接时，应用动态路由规划，用多跳技术实现与中心机间的通信。当所有的输液监控节点均无法与中心机建立连接时，可以在合适的位置增加监测节点，将这些节点作为路由器或父节点，最终实现互联互通。

5 结 论

本系统的设计采用基于重力传感器的输液状态信息反馈及定时的监控节点工作状态监测机制；无论是控制台中心机还是各个节点的核心MCU都采用单片机控制，应用IEEE802.X/Zigbee协议实现节点间及节点与控制台中心机的可靠通信，节点也可直接与PC机进行通信；具有低电压、低功耗的特点。

本设计利用无线传感器网络将采集到的输液数据和病人的生理信息传输到控制台中心机，实现了对输液医疗过程及病人生理状态的实时监控和异常情况报警，满足了临床输液监控的需要，降低了医务人员工作强度，提高了监护质量，具有较好的临床应用前景。

[1]郭瑞，刘银刚，丁柏闻．护士站点滴监测系统的研究与设计[J]．计算机测量与控制，2012，20（9）：2429-2434．GUO Rui，LIU Yin-gang，DING Bai-wen.Reserch and design of liquid dropping monitoring in nurse station[J].Computer Measurement and Control，2012，20（9）：2429-2434．

[2]陈敏亚，夏勇，徐锐．基于传感技术的输液监测系统的研究和设计[J]．医疗卫生装备，2012，33（8）:36-37．CHEN Min-ya，XIA Yong，XU Rui.Sensor-based infusion monitoring system[J].Chinese Medical Equipment Journal，2012，33（8）:36-37．

[3]王殊，阎毓杰，胡福平，等．无线传感器网络的理论与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2007．

[4]王慧斌，肖贤建，严锡君.无线传感器监测网络信息处理技术[M].北京：国防工业出版社，2010.

[5]沈建华，熊立平.STM32W无线射频ZigBee单片机原理与应用[M].北京航空航天大学出版社，2010.

[6]Mxchip.EMB-STM32W-M使用说明实验手册[EB/OL].[2013.05.15]，http://www.mxchip.com/uploadfiles/toolsoft/ADK-SK/EMB-STM32W-M1.pdf