基于ZigBee技术的无线医院病房呼叫系统设计
2021-09-09彭晓宇杜露露
彭晓宇 杜露露 谢 扬
武汉船舶职业技术学院机械工程学院
0 引言
随着科学技术的飞速发展和医疗改革的不断深入，传统的医疗工作环境和方式已经无法满足医院的发展需要，也不能满足日益增长的服务需求。因此，当前越来越强调通过技术手段来提高医疗水平和医疗效率，满足公众对医疗现代化的基本需求，使医院为公众提供更优质的医疗服务。本文提出了一种成本低、功能较完善且技术含量高的无线病房呼叫系统。基于紫蜂协议（ZigBee），可以实现病人对护士的呼叫，管理中心对护士的管理以及存储病人的呼叫信息。不仅医院可以更大程度地提高服务质量及工作效率，还可以通过更加优质的服务吸引患者，提高自身竞争力。
1 系统软硬件设计
1.1 硬件电路设计
本文设计的医院病房呼叫系统大体分为3个部分：（1）ZigBee网络硬件，使用TI公司的CC2530单片机，主要完成ZigBee网络信息的传输，包括病人的呼叫信息、护士的确认服务信息以及电量监测信息。（2）ESP8266WiFi模块，主要完成对ZigBee网络协调器发送数据的接收、转发功能。（3）Web客户端监控终端，主要处理由ESP8266WiFi模块发送到Internet的数据并显示，达到监控的目的。处理系统研究框架如图1所示。
图1 系统研究框架
1.1.1 病人、护士节点设计
本系统采用TI公司的CC2530F256芯片，自行设计了病人节点和护士节点，为病人设计3个功能按键，其中1个用作呼叫，保留1个按键留作后续的程序开发；为护士设计了2个
功能按键、1个震动马达和1个蜂鸣器，其中1个按键用作切换呼叫方式，1个按键留作后续的开发，同时，为护士节点设计了1个LED指示灯，用于功能指示。
1.1.2 协调器电路设计
协调器是网络的神经中枢，主要执行ZigBee网络的组建和维护，并控制节点的加入、数据分析处理及转发；其液晶实时显示收到的无线数据，便于观察。该协调器在使用CC2530射频功能的基础上增加了串口功能，用于测试串口数据，ESP8266WiFi模块直接和cc2530串口相接。其原理如图2所示。
图2 协调器设计原理
1.2 路由器电路设计
路由器是整个ZigBee网络消息转发的枢纽，病人节点、护士节点和协调器之间由于数据传输距离的限制，在相距较远时无法直接完成数据交换，需要通过路由器来实现数据转发功能。为了有效增加ZigBee网络的覆盖区域，路由器设计了功率增强模块，提升了数据发射的功率，有效解决了数据传输距离的问题。功率增强模块电路设计原理如图3所示。
图3 路由器设计原理
1.3 软件设计
1.3.1 Z-Stack软件流程设计
完整的Z-Stack工作流程可包括启动系统、初始化驱动、初始化OSAL。系统在带电工作后，首先执行Zmain，并运行main函数ZMain.c，此时系统恢复到初始化状态。当初始化状态改变后，函数osal_start_system（）开始运行，OSAL系统同时工作。为了保证每个任务部署完成，务调度函数要完成优先级检测。在准备任务完成后，调用函数tasksArr[]对当前事件进行运行及处理，并重复运行次过程，指导所有的准备工作都确认执行完毕。当列表中的任务为空时，处理器切换至休眠待机状态，从而达到降低能耗损失的目标。执行任务OSAL分两个过程：（1）分配初始化的内存占用空间和选择特定的标识号；（2）使用函数ApplicationName_ProcessEvent进行事件处理。最后，通过函数voidosalTaskAdd（）实现任务增加。
1.3.2 ESP8266WiFi模块程序设计
本系统采用Qt语言开发。Qt是一门跨平台的语言，在嵌入式领域具有广泛应用。此客户端程序主要分为两个部分：网络通信和设置WiFi连接。网络通信就是UDP协议的Socket，运行客户端时，先建立一些必要的信号与槽的连接，再等待用户设置串口、连接WiFi以及目标机的IP地址。设置完成后，定时每隔100 ms读取一次8266模块数据，并将数据通过Socket转发到Internet网络。
2 测试结果分析
2.1 ZigBee网络通信距离测试
ZigBee网络通信中的护士节点和病人节点通信距离测试的数据如表1所示。
表1 ZigBee网络通信距离测试
ZigBee网络通信距离测试数据分析：通信距离的长短主要受天线设计的影响，现有设备的节点通信测试距离一般维持在32 m，虽然通信距离亟待提高，不过该距离已经能够基本满足自身系统的使用需要，此外，本课题还设计了路由器的功率增强模块，将其作为通信枢纽，可以进一步延长ZigBee网络覆盖距离。
2.2 节点使用时间测试
护士节点、病人节点在使用时间改变情况下的测试数据（测试时没有关闭液晶屏幕背光，没有开启省电模式）如表2所示。
表2 节点使用时间测试
节点使用时间的数据分析：当前护士节点数据测试使用的锂电池容量为200 mA时，病人节点锂电池容量为80 mA时。电池使用电商平台统一采购，无法确保做工是否完全符合统一的要求，但从实际数据测试结果来看，病人的节点功耗应该与护士节点的功耗大致相同，均在16 mW左右。从使用时间上来分析，病人节点的使用时间跟护士节点使用时间明显跟电池容量不成比例。可以确定的是，护士节点使用的锂电池容量可能不达标，导致使用时间太短。研发团队准备后期使用1.5 V的干电池来测试，作为参考时间。
3 结语
本文针对当前医院广泛采用的有线式呼叫系统存在的弊端，考虑到系统本身存在数据传输损耗、成本过高等特性，基于医护人员及病人的诉求分析，制定更具针对性的基于ZigBee技术的无线医院病房呼叫系统设计方案。该方案采用CC2530F256“单SOC”芯片，对系统软硬件进行整合设计，从驱动层到应用层整体实现各个模块的功能，最后通过无线通信技术ZigBee将信息传输至信息中枢，实现上下层网络间的实时数据交换及监测。本方案还进行了大量的实验测试，结果显示，该方案可靠性高、工作稳定，能实现无线病房呼叫管理系统的预期目标，具有一定的应用价值。
