基于Zigbee的病床呼叫和输液监控系统的设计*

汤兆龙

(湖北工程学院 新技术学院信息工程系，湖北 孝感 432000)

利用一种简单可靠、低成本、低功耗的病床无线呼叫和监控系统，科学规范地管理病房的病床，是提高护理效率、减少护理成本的一个重要环节，具有很好的现实意义。本系统以Zigbee技术为基础，搭建无线呼叫和输液监控系统。

一、系统总体设计

图1 系统结构图

本系统有一个Zigbee协调器、若干呼叫节点、若干腕式终端组成的簇状Zigbee网络，如图1所示。Zigbee协调器与上位机相连，负责网络的建立、管理和可靠性传输，通过上位机系统接收、存储、分析、显示、转发相应信息。每个呼叫节点有一个唯一的识别码，具有呼叫、显示、通信功能；当按下呼叫按扭时，上位机接收到服务申请后，根据识别码，确定呼叫床位号，并显示接收到的呼叫信息，发出声光报警提示；腕式终端确认报警信息后，立即采取措施，并回馈上位机一个确认信号；上位机平台即可清除屏幕当前显示的病床号及呼叫信号；能接收和存储不少于10个呼叫的病床号信息，在消除当前显示后，能依次显示下一个病床号发出的声光提示。

二、系统硬件设计

呼叫节点和腕式终端从功能模块角度划分为以下几个部分：MSP430F149核心单元、cc2530射频通信模块、液滴检测模块、段码式液晶显示模块，声光报警和键盘模块,呼叫节点芯片CC2530和MSP430都采用电池供电，具体硬件设计图2所示。

图2 节点硬件设计图

1.电源模块

呼叫器采用电池供电，为了做到低功耗，我们采用DC-DC升压电路为系统供电。

2.按键和显示

呼叫节点的显示模块采用段码式液晶显示，具有低耗低成本等优点；按键采用独立键盘方式，它的优点是电路设计简单，且编程易实现。

3.输液检测

将检测装置设置在滴斗处，监测点滴速度，呼叫节点实时显示点滴速度(滴/分)，测量误差小于4-2%滴；呼叫节点和上位机应在输液结束(滴速为零)时3秒内发出声光报警信号，并停止输液。上位机和节点之间的无线通信距离可达500米以上；上位机巡回显示各节点的编号，以及当前点滴速度，巡回时间由上位机设定。

通过测量相邻点滴下落的时间间隔，滴斗处的检测装置能够确定点滴速度。检测采用红外对管发射接收，工作与断续的方式，在点滴落下时阻挡接收管接收的红外线，产生高电平的脉冲信号，为提高抗干扰能力，选用单光束红外光电传感器RG1120作为红外发射管，该器件具有进口高发射功率的砷化镓红外发射管和高灵敏度的光敏晶体管。

液滴滴下时，为正跳变，在采集电路上加一个非门反向，使信号成为单片机可利用的。根据接收的光度强弱判断，液滴是否滴下。该装置成本低，安装在滴斗上较简单；对辅助电路要求少，近距可以用直流发射，电路结构如图3所示。

图3 滴漏检测电路

4.cc2530通信模块组网设计

网络协调器，是ZigBee 簇状网内各节点通信的核心，负责网络的组建，同时兼顾控制、仲裁和处理的功能，zigbee网络中，由一个协调器，支撑整个zigbee网络。该模块上有射频模块、蜂鸣器、复位电路，如图4所示。

图4 cc2530通信模块

5.护士腕表的设计

考虑到输液结束和病人呼叫的快速反应，护士手上佩戴腕式节点终端。终端有以下几部分：zigbee自组网络通信模块，用于网络的连接和数据的传输；段码式液晶，用于显示呼叫病床号和信息内容；振动器，产生震动提示。

三、系统的软件设计

上位机软件由通信模块、中断初始化模块、显示及声光报警模块、扫描按键模块等组成。

1.ZigBee 协议栈的实现

病床呼叫节点采用星型网络连接，部分节点作为ZigBee路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；所有的ZigBee节点组成一个星型与树型结合的混合网络，再与ZigBee协调器节点连接，该节点设置在护士站的上位机端，构建成一个完整的ZigBee网络。具体步骤为：首先，初始化硬件驱动和MAC层；接着扫描信道，接收和处理环境信息。节点根据信道扫描的结果作出加入网络或新建PAN网络的判断，节点决定新建PAN网络；第三步：建立PAN网络。包括信道能量扫描、短地址信息选取、选择PAN网络ID、初始化网络设置；第四步：接收节点的入网请求，处理关联指示原语，父节点执行完后，节点做好数据传输的准备；第五步：加入PAN网络。子节点发布一个网络查找原语，子节点MAC层执行一次主动扫描，函数更新邻接表，子节点从搜索到的网络中选择一个父节点加入。最后进行数据传输，当子节点加入网络后，子节点和父节点可以进行无线通信。

2.病床呼叫和液滴监控程序的软件设计

呼叫系统采用按键触发式方式实现，液滴监控采用实时动态方式实现。可视化人机界面的无线呼叫监控系统，采用Visual C + + 语言，实现系统串口转Zigbee通信方式。PC 机与无线呼叫系统协调器的数据传输可以用MSComm 控件开发出使用计算机串口的计算机通信程序来实现。MSComm 控件事件驱动方式的通信方式，相当于一般程序设计中的中断方式，当串口发生事件或错误时，MSComm 控件将产生Oncomm事件，用户程序可以捕获该事件进行相应处理。上位机界面模块如图5 所示。

图5 呼叫器上位机界面

四、系统测试与结果分析

在本无线呼叫和液滴监控系统中，节点的通信距离为72米，当呼叫器通过路由器与协调器通信时，通信距离可达到110米，各节点路由器发挥了网络扩展和中转功能。上位机操作员可随机处理任何呼叫器的请求，协调器按照接收请求的先后顺序，发出处理结果给各个呼叫节点和响应终端。整个系统经过测试工作正常，呼叫节点能正确接收处理结果，呼叫器节点能同长时间的处于工作状态，节点所需要的信息能够被正确接收。详细测试参数如表1 所示。

表1 Zigbee节点测试数据

五、结论

目前一些呼叫系统，主要采用有线的mobus总线、网线方式；或者无线采用2.4Gwifi或者是其它点对点的通信方式，主要存在电路比较复杂、架设和维护困难、成本较高等问题。而本文采用的ZigBee技术，具有移动组网能力，可进行网络中继和拓扑、较低的功耗和成本，非常适合无线信号在医疗行业的应用。基于Zigbee的无线呼叫和液滴监控系统的应用，将进一步推动医疗的信息化、自动化、智能化的发展，有着重要的实际意义。