基于ZigBee的医院病房呼叫系统设计

姬智

摘 要：近年来，无线技术等智能化技术发展迅猛，其中，ZigBee技术属于短距离无线通信技术，具有网络容量大、传输速率低、成本小、功耗低、稳定和灵活等特点，受到社会各界广泛的关注。本文主要探讨根据ZigBee技术设计的无线病房呼叫系统，以满足医院对病房呼叫系统的需求，方便患者应用，提高护理服务质量，为广大患者提供更加优质、全面、系统的服务，提高患者的满意度。本设计方案以CC2530型芯片作为主控芯片，配有液晶显示屏和按键，兼具报警、振动等功能，便于医护人员与患者进行实时交流和沟通。本设计采用C语言编程并经过仿真论证，能够确保系统高效运转，有助于及时满足患者的治疗和康复需求。

关键词：ZigBee;医院病房呼叫系统;功耗;网络容量;传输速率;患者满意度

中图分类号：R197.3;TN92文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0030-03

Abstract： In recent years， intelligent technologies such as wireless technology have developed rapidly， among them， ZigBee technology belongs to short-distance wireless communication technology， which has the characteristics of large network capacity， low transmission rate， low cost， low power consumption， stability and flexibility， and has attracted wide attention from all walks of life. This paper mainly discussed the wireless ward call system designed according to ZigBee technology to meet the hospital's demand for the ward call system， facilitate patient application， improve the quality of nursing service， provide more high-quality， comprehensive and systematic services for the majority of patients， and improve patient satisfaction. This design uses the CC2530 chip as the main control chip， equipped with an LCD display and buttons， and has functions such as alarm and vibration， which facilitates real-time communication and communication between medical staff and patients. This design adopts C language programming and has undergone simulation demonstration， which can ensure the efficient operation of the system and help to meet the treatment and rehabilitation needs of patients in time.

Keywords： ZigBee;hospital ward call system;power consumption;network capacity;transmission rate;patient satisfaction

基于ZigBee的医院病房呼叫系统具有呼叫、显示、监听及信息存储等功能，便于对医院进行智能化管理，有利于患者及其家属及时呼叫护士，同时有助于护士及时准确判断患者病情并及时反馈给临床医生，提高救治效率，改善患者生存品质。

1 ZigBee技术概述

ZigBee技术能够满足低价位的小体积装置组网与控制需求，在家庭、商业及工业等智能化、自动化进程中均发挥着非常重要的推动作用。该技术具有可靠性高、复杂度低、功耗小和成本低等特点，属于新型短距离双向无线通信网络技术，以ZigBee协议栈为核心部分，与传统无线传感器网络协议栈存在较大差异。当前，国内病房呼叫系统主要包括传统的硬件布线式呼叫系统及无线式呼叫系统，存在设备功能简单、安装难度大、维护成本高以及管理复杂等特点，也存在接触不良、线路老化等安全隐患，医生及护士无法及时为患者提供医护服务[1]。

2 系统设计

進行系统设计时，必须充分考虑系统本身的稳定性、灵活性与可靠性，分析医院电磁环境造成的影响、系统便携端能耗问题、系统数据传输和网络覆盖面等方面，确保所设计系统尤其是便携终端具有良好的延展性。

2.1 硬件系统设计

系统电路原理图主要包括CC2530最小系统模块、接口模块、按键模块、声光报警模块、振动马达驱动模块以及电源稳压模块等。

2.1.1 CC2530最小系统。它包含电源供给、天线耦合电路、外部晶振电路和RC复位电路等必要电路。其中，天线耦合电路由前端射频天线耦合而成，为最佳射频电路。外部晶振电路由CC2530内部集成无线射频收发，为了保证系统时序的精确性，必须应用高精度晶振，此外，还需要通过降频、倍频使射频及低功耗等功能得到实现。RC复位电路与C51单片机使用原理相同，均为利用电容的充电及放电特性，最后加上GND及电源即可构建CC2530最小系统。

2.1.2 报警电路。其主要包括振动马达模块及声光报警模块。震动马达以NPN型三极管为开关管，作为感性元件，马达启动或者停止的瞬间内部电流及磁场可对原磁场方向变化产生阻碍作用并产生反向电压。为了避免反向电压击穿NPN三极管，必须为电路设计保護装置，通过添加二极管的方式消耗掉反向电压生成的电流。当处于低电平状态时，马达停止运行，而处于高电平状态时，马达则正常运行。声光提示驱动电路主体部分包括限流电阻2个、LED灯1个、蜂鸣器1个以及NPN型三极管（S8050）1个。声光报警模块工作原理为基于三极管工作状态，NPN三极管引脚可分为基级、发射极以及集电极，发射极接地GND，给予基极高电平时，发射极及集电极导通，集电极上负载即可获得电流回路。5 V电源释放的电流分别流经负载蜂鸣器、LED灯、电阻以及NPN三极管的集电极，最终回流至发射极及电源GND，能够保证电流回路的完整性并负载工作。发射极接地GND且基极施加低电平时，发射极及集电极时间截止，可阻碍集电极上电流向GND回流，负载停止工作。据此，可通过CC250 IO口直接控制LED灯及蜂鸣器。此外，还可通过该方法控制负载三极管[2]。

2.1.3 按键电路。按键电路根据CC2530 IO口的高电平特性进行设计，IO口检测到低电平时则表明按键按下。但是，因按键存在机械抖动等特点，可通过软件将GND与按键另一端相连，按下按键时对应IO口即可变成低电平。主要采用上拉电阻的方式确保按键状态的稳定性，此外，由于CC2530 IO口内部有上拉电阻，可通过软件进行配置，而且无须于外部添加上拉电阻。

2.1.4 电源稳压电路。电源稳压电路电源为能量供应来源，在电路系统中发挥着不可替代的作用。优质电源对于保持电路系统稳定有重要价值，质量不佳电源容易导致电路系统崩溃，甚至出现电路损坏现象。电流参数包括电压输出值、电流输出能力以及电源纹波。电压输出值即为最终转换后的电压值;电流输出能力表明电源带动负载大小及提供功率的大小。以5 V为系统输入电源，可通过降压获得3.3 V电源。由于CC2530为低功耗芯片，采用LDO线性稳压器，此次研究采用AMS1117-3.3V LDO线性稳压器型，其属于低成本线性稳压器。AMS1117-3.3V芯片共有四个管脚，第1个管脚应用于电源接地，第2、4个管脚应用于电源输出，第3个管脚应用于电源输入，具有应用方便等特点，在各个领域均有着广泛的应用，如工业控制、医疗器械、智能家电控制、电视等电子产品。其间分别于电源输入部分及输出部分添加稳压电容，即可获得具有极小纹波的电源输出。在输入端为5 V情况下，AMS1117-3.3V可输出IA电流能力为3.3 V的电源电压[3]。

2.1.5 接口电路。接口电路音播报模块之间的交互接口应用UART串口通信，处于通信状态时，波特率为9 600。其以SPI接口为屏幕接口，可应用于驱动OLED128×64屏幕。同时，其应用由TI公司设计的调试仿真接口，可对下载程序进行单步调试，应用方便。

2.2 软件系统设计

软件系统设计主要包括ZigBee终端部分及ZigBee协调器部分。

2.2.1 软件开发环境。本设计以IAR8051为软件开发环境，与KEIL相比，其IAR编译效率更高，在确保相同功能代码实现时，IAR编译输出的文件占用程序空间为A，KEIL编译输出占用程序空间为A+B，由于单片机资源相对有限，因此以IAR为CC2530开发环境，主要原因在于IAR占用资源少且具有编译效率高等特点。

2.2.2 ZigBee终端程序设计。ZigBee终端程序设计程序开始后，初始化ZigBee协议栈，包括ZigBee网络搜索及注册等基础代码，可由ZigBee协议栈自动完成，程序执行timer定时器初始化，有助于保证定时事件及延时事件的精确性。然后，初始化uart串口，程序调试时程序变量的实时数据及程序运用至何处，均可自uart串口获取。最后，key按键程序进行初始化。按键在松手或者按下时均会出现机械抖动现象，导致按键状态发生变化。因此，可运用按键状态机思想以及timer定时器使抖动得到消除，减少系统资源浪费。所用功能初始化后，程序即可进行循环，循环中ZigBee终端主要判断两个事件，包括按键是否按下以及是否接收到无线数据。接收到无线数据后，ZigBee终端可对无线数据是否为呼叫命令做出准确判断，ZigBee终端均有一个地址，呼叫命令中第一个字节即为呼叫地址，若自身地址与命令中地址保持吻合，则表明护士站正在呼叫该病床。震动马达及蜂鸣器同时启动进行提示。按键按下后，对呼叫键及取消键进行判断并将ZigBee终端自身编号及键值打包传输至ZigBee协调器，然后由协调器进行处理，可使自ZigBee终端呼叫至ZigBee服务台的过程得以实现[4-5]。

2.2.3 ZigBee协调器程序设计。ZigBee协调器程序设计开始后，与ZigBee终端一致的部分驱动代码获得执行，ZigBee协议栈进行初始化，timer等功能得到驱动后，OLED屏幕驱动获得执行，程序进入循环。循环中，ZigBee协调器无线循环可对三个事件进行准确判断，包括是否接收到无线数据、按键是否按下以及屏幕是否更新。ZigBee协调器接收到无线数据时，可对是否为呼叫命令做出判断，第一个字节为呼吸发起地址，可根据该地址明确病床号，结合呼叫者地址及时更新屏幕内容并进行语音播报。按下按键时，可判断是取消键还是呼叫键并可将键值通过无线送至ZigBee终端进行处理。接收到无线数据或者按键按下后，即可结合处理结果更新屏幕[6]。

3 试验结果分析

应用控制变量法进行相关功能验证，在其他条件一致的情况下，护士站呼叫ZigBee终端后，终端可产生响应，主要包括振动电机振动及蜂鸣器鸣叫等，同时可配合语音播报。若ZigBee终端取消呼叫护士站，护士站立即响应，表现为屏幕内容更新、ZigBee终端显示在屏幕上的编号被删除以及振动、蜂鸣器鸣叫停止、语音播报关闭等。所有功能均得到验证，能够使系统要求得到充分满足。

4 结语

基于ZigBee的医院病房呼叫系统设计具有安装及扩展方便、成本低以及可靠性高等特点，能够避免既往有效呼叫系统存在的相关问题，而且ZigBee网络还具有自组网特性，既能够有效管理无线网络，还能够减少无线信号冲突等相关问题。此外，ZigBee支持双向通信，而且组网简单，可为护士中心及患者节点提供畅通无阻的通信通道，其不仅具有呼叫系统基本呼叫及取消功能，还具有无线双向呼叫功能，能够大大提升护士站对患者的呼叫效率，也方便患者随时寻求医护人员帮助，有助于医护人员及时为患者提供优质服务，这样能够节省物力及人力资源，防止呼叫不及时而造成患者身心健康受损进而引发医疗纠纷。

参考文献：

[1]陈海生.基于ZigBee的病房叫号系统的设计[J].医疗装备，2016（11）：43-44.

[2]葛广英，葛菁，赵云龙.ZigBee原理、实践及综合应用[M].北京：清华大学出版社，2015：33-35.

[3]许建国，张佳，郭麦成.基于物联网的医院病房智能监护系统设计与实现[J].现代电子技术，2018（8）：83-86.

[4]汤明，郑婧，黄文婷，等.基于ZigBee的无线振动传感器设计与实现[J].传感技术学报，2018（2）：312-318.

[5]薛光辉，姜志宪，王东，等.基于ZigBee技术无线传感器网络通信站研制[J].煤炭工程，2017（11）：25-28.

[6]李洪博，汤云鹤，王旭康.基于无线通信模块的智能医疗呼吸系统的设计[J].辽宁工业大学学报，2017（4）：230-233.