基于CC2500的医护人员定位系统设计与实现

范金文，何 青

（长沙理工大学 电气与信息工程学院 湖南 长沙 410114）

在物联网技术领域，有多种关于移动装置的通信、识别和定位的方法及系统，但在通信、识别和定位三项功能特征中，所有这些系统都只侧重于其中的一个或两个功能特征，在三项功能并重时，我们往往需要借助于另一个需要占用大量资源的系统或补充必需的硬件设备，才能达成预期的目标，这一方面浪费了外部资源、降低了系统的经济性，特别是对于移动物体，硬件设备的增加更有可能降低系统的可操作性和可维护性。本文讨论了利用CC2500模块将通信、识别和定位三者有机结合在医疗呼叫管理系统应用，解决了三项功能同时运用的时候出现的资源浪费等问题。

不同的应用环境对定位精度有着不同的要求。室内环境本身比较小，一般来说要求定位精度比较高才能够满足应用需要。但是室内定位需要回答的往往是这样的问题：“某人在哪个房间?”而被定位者在房间中的位置我们大部分情况下并不关心，因此实际上只要能够达到定位到房间就可以满足很多实际需要了[1-2]。在实际医院运行中，患者与医护人员接触的次数相当的多。一方面如何让患者了解医护人员的位置，快速的找到附近的医护人员，实现医护人员快速且方便得为患者提供服务，另一方面如何管理医护人员和患者，特别是在现在医疗资源不够充分的条件下，这是摆在医院管理者面前的一道难题。该系统通过对医护人员和患者佩戴的移动设备的通信、识别和定位，实现人员的相对坐标的定位，实时发布医护人员的位置信息（病区、房间），第一时间响应患者请求，方便医护人员处理日常和突发事件。

1 系统框架与配置

1.1 系统组成

该系统总体结构由管理设备、基站设备和移动设备3部分构成。其中管理设备包含系统服务器、护士工作站和管理主机；基站设备包括医护分机、病员一览表、走廊汉字显示屏、门口分机、床头分机、治疗室分机和卫浴分机等有线设备；移动终端包括移动分机和病员腕表等移动终端。所有基站设备都与管理主机之间建立有线连接，因此所有配置信息以及数据都由管理主机下发给基站设备，基站设备上报的信息，也统一由管理主机接收；移动终端通过无线信号，与基站设备建立连接并通讯。特别说明：除管理主机外，任何一个有线设备都可以设为基站，并可指定其无线信号的频点。

1.2 系统配置

以房间为单位，所有基站设备默认为后备基站，由用户通过护士工作站配置指定一个基站设备作为该房间的基站（一般以中间的有线设备作为基站），并为每个基站配置一个无线信号频点。要求每个基站周围三维空间的其他基站的无线信号频点与该基站的无线信号的频点不相同。

用户通过治疗室分机，为移动分机配置下发医护人员工号，表示该移动分机与相关医护人员身份绑定；同时治疗室分机自动上报给管理主机，为此移动分机生成对应的轮询表项，并下发给各个基站；下发基站的轮询表项内容为：移动分机地址；类型为移动分机；轮询标志为是；成败标志为失败。同样的，用户也可以通过治疗室分机修改和删除移动分机上的配置信息。

用户通过治疗室分机，为病人腕表配置病员住院号，表示该病员腕表与相应的病人身份绑定；同时治疗室分机自动上报给管理主机，为此病员腕表生成对应的轮询表项，并下发给各个基站；下发基站的轮询表项内容为：移动分机地址；类型为病员腕表；轮询标志为是；成败标志为失败。同样的，用户也可以通过治疗室分机修改和删除病员腕表的配置信息。

2 系统工作原理

系统总体布局如下，每个房间有3个床位，分别在床头安装一个床头分机，根据基站的配置原则，当房间内存在多个有线设备时，以居中的有线设备作为基站，其它有线设备作为后备基站，故中间的设定为该房间的基站。门口分机安装在走廊的门口部位，用作走廊的人员定位基站与医护人员巡房签到。每个基站周围的其他基站无线信号频点与该基站的无线信号频点必不相同。通过在每个房间设置不同频点的基站来区分管理的区域，实现对区域内的移动终端的通信、识别和定位，将相关人员的位置相对坐标而不是绝对坐标定位出来，即医护人员与患者所在病区和房间信息。

图1 移动分机频点自适应流程图Fig.1 Flow chart of Mobile Extension frequency adaptive

通过基站轮询的方式进行无线通讯，确保无线信号不会相互干扰。医护人员佩戴的移动分机采用频点自适应的方式确保实时接入离自己最近的基站点，移动分机的频点自适应过程如图1所示。移动分机系统启动后，循环检测系统N个频点的无线信号的强度，以接收信号强度最大的无线信号的频点作为自己的信号频点Fn（接收信号强度（RSSI）反应移动设备与基站的距离，距离越小，信号越强）[3]，自行匹配；响应该频点基站的轮询，这样保证了移动分机无时无刻都是和最近的基站站点实时连通通讯。

管理主机周期性的下发基站轮询命令，记录相应的移动设备所在的基站位置，通过基站收集信息，采用有线的方式上传给管理主机，管理主机采用WIFI连接护士站的PC机，并实时上传位置信息，将医护人员和病人的实时分布以图形化的方式显示在PC屏幕上，方便医院的管理。同时管理主机通过发送显示命令将医护人员的位置信息通过走廊显示屏实时循环显示，使相关人员都能够知道医护人员当时所在的位置（包括科室和房间位置），最有效的方便患者家属找到相应的医护人员，减少相应的寻找时间，方便医护人员和患者之间联系。当病房里面的病人呼叫医护人员的时候，基站由于前面移动分机的频点的自适应与最近的移动分机建立了无线通讯，优先将患者的呼叫信息发送到该人员的移动分机上。医护人员可通过触摸屏对呼叫信息进行处理；也可向医院信息管理系统输入或获取相关的护理信息；在病房床旁通过将移动分机靠近病员腕表的方式读取患者的身份和获得相应的护理信息如服药清单、护理等级。

3 移动分机硬件设计

3.1 控制部分

在移动分机的硬件设计中，考虑到系统的功耗、成本及性能等要求，选择的是意法半导体公司的STM32F103CBT6作为移动分机的微控制器。STM32F103CBT6是一款集成了嵌入式Flash和SRAM存储器的ARM Cortex－M3内核。通过外部的晶振，主频可到达72 MHz，拥有128 Kbytes的Flash容量，内部有看门狗定时器。睡眠、停机和待机三种低功耗模式。2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个 USB 和一个 CAN[4－5]。

控制器主要由STM32F103CBT6和其外围电路组成。其电路如图 2所示， 其中 STM32F103CBT6的PA0、PA1、PA3、PB5～PB7、PB13～PB15 用作触摸屏的控制接口 ；PA8～PA15用作触摸屏的数据通讯接口。PC14－OSC32－IN和 PC15－OSC32－OUT扩展外部时钟电路。STM32F103CBT6通过SPI口设置CC2500的工作参数并与CC2500通讯。

3.2 电源模块

移动分机佩戴在医护人员手腕上，要求轻巧且具有可移动性，故采用锂电池作为供电。为移动分机内置锂电池充电采用充电管理芯片为LTC4065。LTC4065是凌特公司生产的一款用于单节锂电池的完整恒定电流恒定电压线性充电管理芯片，可提供高达750 mA且准确度为5%的可设置的充电电流[6－7]。 在图 3所示电路中，将VDD直接接至 LTC4065，为锂电池充电。锂电池通过一个稳压芯片HT7330为单片机和触摸屏等工作电路提供稳定的电源。BZ为蜂鸣器，起到锂电池电量过低需要充电池时的提醒作用。

图2 单片机外围电路原理图Fig.2 Schematic of the circuit single-chip microcontroller

3.3 射频模块

图3 电源模块原理图Fig.3 Schematic of the power module

考虑到功耗、传输速率、芯片成本和信号强度等因素，特别是不能干扰像医院心电图等医疗器械的信号，采用的是TI公司的无线收发芯片CC2500作为无线模块控制器。CC2500是TI公司推出的一款低成本、低功耗、体积小的2.4G无线频段的收发器，工作频率为400～24 803.5 MHz。RF收发器集成一个数据传输率可达到500 kbit/s的高度可配置的调制解调器和一个64位传输/接收FIFO。CC2500的寄存器配置可通过SPI接口控制。它具有监听和休眠模式，可无线唤醒[8-9]，非常适合低功耗的应用。

移动分机设计中，实际采用云宝电子科技有限公司在TI公司的CC2500收发器上开发的包含天线、外围滤波和匹配网络等的射频集成模块。该模块具有低电流损耗，发射电流11 mA到21 mA软件可调，接收电流15 mA，休眠电流小于500 nA，同样可通过4线SPI控制通讯。

4 软件设计

系统软件设计是利用Keil uVision4软件在STM32库3.5版本上编写的C程序，编译后通过SWD的方式下载到MCU中去[10]。STM32库3.5版本是ST公司针对STM32提供的函数接口，开发者可以直接调用库函数配置STM32的寄存器。图4为基站轮询移动分机的流程图，图5为移动分机主程序流程图。

4.1 基站轮询软件设计

基站对移动分机轮询的目的是将与基站相连的同一个频点的移动分机所代表的佩戴人员的工号记录下来，结合基站所在的位置，生成轮询对象表（轮询对象表包含移动分机地址与绑定人员工号，上次轮询该移动分机的基站地址，轮询标志），上传给管理主机，将人员相对坐标定位在相应的病区房间，以图形化的形式显示在护士站电脑上和实时发布在走廊显示屏上面。具体的程序流程如图4。当管理主机向基站下发轮询指令和轮询对象表。基站按顺序读取轮询对象表，若移动分机轮询结果标志为成功，可以用回应、请求、数据包等信息代替标准轮询指令发送给轮询对象。若移动分机轮询结果标志为失败，则需发送标准的轮询指令。判断是否响应超时，响应为超时则直接更新轮询标志为失败。如响应没有超时，判断是否正常响应，响应为正常响应则记录回应信息，若响应对象回应的为暂停轮询信息，则需再等待一个响应周期，仍然超时则直接更新轮询标志为成功，反之记录相应的回应信息。最后上报管理主机更新轮询对象表，完成一次轮询，也完成了一次人员相对坐标的定位。

图4 基站轮询程序流程图Fig.4 Flow chart of the base station polling program

4.2 移动分机软件总体设计

移动分机利用CC2500射频模块实现无线呼叫和无线通话。无线定位取决的是基站对移动分机轮询的结果反馈。移动分机的软件总体流程如图5所示。MCU和CC2500初始化后，控制器发出指令使CC2500循环检测周围的无线信号强度，选择最强的信号作为自身的无线信号频点。检测与相连的基站是否发来轮询请求指令，若有请求指令则看自己是否有请求或者数据需要发送，有则以请求或者数据信息作为回应；否则回应包含自身地址和所代表的佩戴人员的工号信息的空信息。值得说明的是移动分机每一个信息都包含自身的地址和所佩戴人员的工号信息。若无轮询请求指令，则看是否有数据通信请求，若有则进行数据通信。没有与进行完一次完整数据通信的均返回到前面检测周围最强的频点，重复上述过程。

图5 移动分机程序流程图Fig.5 Flow chart the mobile extension

5 结 论

实验表明，该方案能有效的实时地检测到医护人员的位置，包括科室和房间位置。当医护人员离开原来的病房进入另外的病房时，由于采用基于接收信号强度（RSSI）最强的频点自适应的方式，保证每个移动设备都能与自己最近的设备实时通信，并且未发现失去联系的现象。但在医院实际应用中，当房间内同时有多个佩戴有移动设备的医护人员时，由于所有的移动设备频点自适应的结果，都采用同一工作频率与房间内的同一基站通讯，故当多个电子标签同时传输数据就会产生数据冲突，使各电子标签之间的传输相互干扰，进而导致信号丢失的现象，这是还需解决对问题。

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