基于ZigBee的病房无线呼叫系统

2017-06-02陈加林杨怀德陈俞强

数字技术与应用 2017年4期

陈加林　杨怀德　陈俞强

摘要：为解决医院病房有线呼叫系统存在的布线复杂、系统兼容性差、灵活性不足的问题，提出了一种基于ZigBee的无线呼叫系统设计方案，并对该呼叫系统的网络拓扑、总体结构及各主要功能模块的设计进行了详细的描述。结果表明，该系统布线成本低、使用灵活、具有一定的抗干扰性，能够满足医院的临时实际需求。

关键词：ZigBee；无线呼叫系统；网络拓扑

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）04-0204-03

1 引言

随着我国城镇化的发展，城镇常驻人口的数量与日俱增，特别是在沿海发达城市，每年都有大量的劳动力涌入。城市人口数量的剧增给城市的公共服务带来了巨大的挑战，特别是医疗系统，目前各大医院时常人满为患，经常出现医疗资源不足，资源分配不合理的情况[1-2]。为了解决医疗资源不足和患者需求难以满足的矛盾，政府一方面通过增加医院数量和医疗人员的数量来缓解这一问题，另一方面积极开展现有医院服务的升级，将计算机技术、网络技术、物联网技术等先进的科学技术引入到医院各服务系统，实现对现有资源的合理调度分配，提升医院的服务效率[3]。目前已经有许多医院采用了医院呼叫系统方便患者与医生之间的沟通，减少病人与医院之间不必要的矛盾。然而现有医院病房呼叫系统大多为有线通信方式[4]，安装复杂，不易扩展，报警信号是否被接收不能得到确认，并且设计者们通常只考虑将护士站与病房作为报警信息收发的2个方面，而并未考虑到护士离开护士站而无人响应报警信息的情况.另外，应考虑到呼叫系统使用无线网络设备工作时不能对医疗设备和病人产生干扰和辐射[5]。为解决目前很多医院病房都装有供病人使用的呼叫系统，其中多数为有线系统。按钮被固定在床头墙面上，使用起来不太方便，紧急情况下甚至起不到作用（如心脏病人在上厕所时突感不适，却够不到呼叫按钮）[6]。有些医院采用了无线呼叫系统，但却存在功能单一、稳定性差、射频干扰大、组网能力低等问题[7]。

针对上述不足，我们设计了一套基于ZigBee协议的新型多功能无线服务系统，可借助ZigBee网络传送包括呼叫在内的多种数据信息，且具有优良的电磁兼容性能，方便了病人与医护人员的信息沟通，对提高医院的护理水平具有积极意义。

2 系统的主要功能

病房无线呼叫系统包括移动呼叫器（终端设备）、病房門口机（路由器）、护士站主机（协调器）和移动接收机（终端设备）共4类设备，以病区或楼层为布局单位，构成图1所示的ZigBee网状网。病人持移动呼叫器在网络覆盖范围内活动，需要服务时，按下普通呼叫或紧急呼叫按钮，呼叫器便立即发出呼叫请求，并通过各病房门口机组成的路由网络传送至护士站主机[2]。此外，呼叫器还带有温度传感器以及脉搏传感器和输液报警传感器接口，可在需要时将温度、脉搏和输液报警信息无线传送到护士站主机。护士站主机通过串行接口与一台PC机固定连接，在PC机上位软件的控制下，对收到的各类信息进行存储、声光提示、绘图、打印、分析等处理[8]。

值班护士不在护士站现场时，呼叫及输液报警信息还可无线转发到护士随身携带的移动接收机上，以便及时做出响应。

上述4类设备均采用内置IEEE802.15.4/ZigBee协议的32位无线微控制器模块，每个模块具有唯一的64位MAC地址以及动态分配的16位逻辑地址。数据通信过程中，根据ZigBee协议要求，使用16位网络地址。不过，为避免因网络结构动态变化造成的逻辑地址冲突，提高数据源辨识的正确性，64位MAC地址也作为数据载荷的一部分被传输到护士站主机或移动接收机。

3 系统实现方案

3.1 核心模块

病房无线呼叫系统中，移动呼叫器、护士站主机、病房门口机、移动接收机所采用的32位无线微控制器模块系将32位无线微控制器、晶振、串行FLASH存储器、天线及其接口装配在一块微型PCB板上制成，其结构如图2所示。

32位无线微控制器本身已经是一个高度集成的SOC（片上系统），内部包含32位RISCCPU、2.4GHzIEEE802.15.4射频收发器以及192KBROM、96KBRAM、5路SPI口、2个UART串口、与I2C/SMbus兼容的两线串口、21路并行接口、2个通用可编程定时/计数器、2个唤醒定时器、一个Tick定时器、4路12位A/D转换器、2路11位D/A、2个模拟比较器等资源，ROM存储器中固化了ZigBee协议代码。该无线微控制器具有较强的协议处理和逻辑控制能力以及优良的加密性能和先进的电源管理机制，有助于简化病房无线服务系统中各类设备的硬件和软件设计。

3.2 移动呼叫器

图3为移动呼叫器的硬件结构图。其中，U1是内置IEEE802.15.4/ZigBee协议的32位无线微控制器模块，该模块通过各输入、输出口线与一般呼叫按钮K1、紧急呼叫按钮K2、输液报警探头S1、脉搏传感器S2、温度传感器TS、蜂鸣器BZ1以及发光管L1、L2相连，电阻R3和三极管T1实现蜂鸣器BZ1的功率驱动，电阻R1和电阻R2为发光管L1、发光管L2的限流电阻。移动呼叫器使用3VAAA型碱性电池供电，程序中利用32位控制器休眠电流非常小的特点，通过降低工作占空比等措施，有效控制了移动呼叫器的平均功耗，延长了电池的使用寿命。

3.3 病房门口机

图4为病房门口机的硬件结构图。病房门口机的作用是作为无线网络中的路由器，为移动呼叫器与护士站主机之间的双向信息传递提供路由服务。病房门口机只需要一个发光管用于状态指示，每转发一帧数据，发光管都闪烁一下，可借此判别门口机是否正常。图4中，U2是内置IEEE802.15.4/ZigBee协议的32位无线微控制器模块，其通过一根输出口线与发光管L3相连，电阻R4为发光管L3的限流电阻。电容C1、C2为电源滤波电容，可提高电源品质。病房门口机使用5V稳压电源供电。

3.4 护士站主机

图5为护士站主机的硬件结构图。图中，U3是内置IEEE802.15.4/ZigBee协议的32位无线微控制器模块，其通过各输入、输出口线与大屏幕液晶显示器LCM、蜂鸣器BZ2、矩阵键盘KBD和串口电平转换器U4相连。电阻R5和三极管T3用来驱动液晶显示器LCM的背光灯。液晶显示器LCM在收到信息或按下按键时其背光灯立刻点亮，30s后自动熄灭。电位器W1用于调整液晶显示的对比度。矩阵键盘KBD包括16个按键，分别为数字键0-9、“确认”键、“取消”键、“上翻”键、“下翻”键、“体温测量”键、“调时”键。

串口电平转换器U4和串口插座J1实现护士站主机与PC机的连接。在PC机上位软件的控制下，对收到的各类信息进行存储、声光提示、绘图、打印、分析等处理。护士站主机也使用5V稳压电源供电。

3.5 移动接收器

移动接收器供护士离开护士站时随身携带，其硬件结构与护士站主机类似，只是LCM显示屏略小一些，另外，还去掉了串口电平转换器和PC通信结构。

4 结语

本文设计了一种基于ZigBee的病房无线呼叫系统，并给出了系统的总体设计方案和各主要功能模块的详细设计方案。结果表明，该系统方便了病人与医护人员的信息沟通，不仅能够提高医院的护理水平和竞争力，获得良好的经济效益，另外在改善医患关系，建设和谐医院方面，也能发挥重要的社会效益。

参考文獻

[1]杨帅凡.病房无线呼叫系统之ZigBee网络的研究与设计[D].昆明理工大学，2011.5.

[2]钱浩.基于ZigBee的无线病房呼叫系统研究与设计[D].昆明理工大学，2014.5.

[3]李昕.基于ZigBee的无线病房呼叫系统主控中心软件设计[D].哈尔滨理工大学，2010.5.

[4]吴学君.基于ZigBee的无线病房呼叫系统主控中心软件设计[D].哈尔滨理工大学，2010.5.

[5]张二珂.基于ZigBee的无线呼叫系统的设计与实现[D].解放军信息工程大学，2012.12.

[6]王琳，等.基于ZigBee技术的无线呼叫系统的设计[J].电子测量技术，第31卷第10期，2008.10.