湯兆龍

(湖北工程學(xué)院 新技術(shù)學(xué)院信息工程系，湖北 孝感 432000)

利用一種簡單可靠、低成本、低功耗的病床無線呼叫和監(jiān)控系統(tǒng)，科學(xué)規(guī)范地管理病房的病床，是提高護理效率、減少護理成本的一個重要環(huán)節(jié)，具有很好的現(xiàn)實意義。本系統(tǒng)以Zigbee技術(shù)為基礎(chǔ)，搭建無線呼叫和輸液監(jiān)控系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)有一個Zigbee協(xié)調(diào)器、若干呼叫節(jié)點、若干腕式終端組成的簇狀Zigbee網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。Zigbee協(xié)調(diào)器與上位機相連，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和可靠性傳輸，通過上位機系統(tǒng)接收、存儲、分析、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)信息。每個呼叫節(jié)點有一個唯一的識別碼，具有呼叫、顯示、通信功能；當(dāng)按下呼叫按扭時，上位機接收到服務(wù)申請后，根據(jù)識別碼，確定呼叫床位號，并顯示接收到的呼叫信息，發(fā)出聲光報警提示；腕式終端確認報警信息后，立即采取措施，并回饋上位機一個確認信號；上位機平臺即可清除屏幕當(dāng)前顯示的病床號及呼叫信號；能接收和存儲不少于10個呼叫的病床號信息，在消除當(dāng)前顯示后，能依次顯示下一個病床號發(fā)出的聲光提示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

呼叫節(jié)點和腕式終端從功能模塊角度劃分為以下幾個部分：MSP430F149核心單元、cc2530射頻通信模塊、液滴檢測模塊、段碼式液晶顯示模塊，聲光報警和鍵盤模塊,呼叫節(jié)點芯片CC2530和MSP430都采用電池供電，具體硬件設(shè)計圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件設(shè)計圖

1.電源模塊

呼叫器采用電池供電，為了做到低功耗，我們采用DC-DC升壓電路為系統(tǒng)供電。

2.按鍵和顯示

呼叫節(jié)點的顯示模塊采用段碼式液晶顯示，具有低耗低成本等優(yōu)點；按鍵采用獨立鍵盤方式，它的優(yōu)點是電路設(shè)計簡單，且編程易實現(xiàn)。

3.輸液檢測

將檢測裝置設(shè)置在滴斗處，監(jiān)測點滴速度，呼叫節(jié)點實時顯示點滴速度(滴/分)，測量誤差小于4-2%滴；呼叫節(jié)點和上位機應(yīng)在輸液結(jié)束(滴速為零)時3秒內(nèi)發(fā)出聲光報警信號，并停止輸液。上位機和節(jié)點之間的無線通信距離可達500米以上；上位機巡回顯示各節(jié)點的編號，以及當(dāng)前點滴速度，巡回時間由上位機設(shè)定。

通過測量相鄰點滴下落的時間間隔，滴斗處的檢測裝置能夠確定點滴速度。檢測采用紅外對管發(fā)射接收，工作與斷續(xù)的方式，在點滴落下時阻擋接收管接收的紅外線，產(chǎn)生高電平的脈沖信號，為提高抗干擾能力，選用單光束紅外光電傳感器RG1120作為紅外發(fā)射管，該器件具有進口高發(fā)射功率的砷化鎵紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管。

液滴滴下時，為正跳變，在采集電路上加一個非門反向，使信號成為單片機可利用的。根據(jù)接收的光度強弱判斷，液滴是否滴下。該裝置成本低，安裝在滴斗上較簡單；對輔助電路要求少，近距可以用直流發(fā)射，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滴漏檢測電路

4.cc2530通信模塊組網(wǎng)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，是ZigBee 簇狀網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點通信的核心，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建，同時兼顧控制、仲裁和處理的功能，zigbee網(wǎng)絡(luò)中，由一個協(xié)調(diào)器，支撐整個zigbee網(wǎng)絡(luò)。該模塊上有射頻模塊、蜂鳴器、復(fù)位電路，如圖4所示。

圖4 cc2530通信模塊

5.護士腕表的設(shè)計

考慮到輸液結(jié)束和病人呼叫的快速反應(yīng)，護士手上佩戴腕式節(jié)點終端。終端有以下幾部分：zigbee自組網(wǎng)絡(luò)通信模塊，用于網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的傳輸；段碼式液晶，用于顯示呼叫病床號和信息內(nèi)容；振動器，產(chǎn)生震動提示。

三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

上位機軟件由通信模塊、中斷初始化模塊、顯示及聲光報警模塊、掃描按鍵模塊等組成。

1.ZigBee 協(xié)議棧的實現(xiàn)

病床呼叫節(jié)點采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，部分節(jié)點作為ZigBee路由器，負責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；所有的ZigBee節(jié)點組成一個星型與樹型結(jié)合的混合網(wǎng)絡(luò)，再與ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點連接，該節(jié)點設(shè)置在護士站的上位機端，構(gòu)建成一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。具體步驟為：首先，初始化硬件驅(qū)動和MAC層；接著掃描信道，接收和處理環(huán)境信息。節(jié)點根據(jù)信道掃描的結(jié)果作出加入網(wǎng)絡(luò)或新建PAN網(wǎng)絡(luò)的判斷，節(jié)點決定新建PAN網(wǎng)絡(luò)；第三步：建立PAN網(wǎng)絡(luò)。包括信道能量掃描、短地址信息選取、選擇PAN網(wǎng)絡(luò)ID、初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；第四步：接收節(jié)點的入網(wǎng)請求，處理關(guān)聯(lián)指示原語，父節(jié)點執(zhí)行完后，節(jié)點做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備；第五步：加入PAN網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點發(fā)布一個網(wǎng)絡(luò)查找原語，子節(jié)點MAC層執(zhí)行一次主動掃描，函數(shù)更新鄰接表，子節(jié)點從搜索到的網(wǎng)絡(luò)中選擇一個父節(jié)點加入。最后進行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，子節(jié)點和父節(jié)點可以進行無線通信。

2.病床呼叫和液滴監(jiān)控程序的軟件設(shè)計

呼叫系統(tǒng)采用按鍵觸發(fā)式方式實現(xiàn)，液滴監(jiān)控采用實時動態(tài)方式實現(xiàn)。可視化人機界面的無線呼叫監(jiān)控系統(tǒng)，采用Visual C + + 語言，實現(xiàn)系統(tǒng)串口轉(zhuǎn)Zigbee通信方式。PC 機與無線呼叫系統(tǒng)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳輸可以用MSComm 控件開發(fā)出使用計算機串口的計算機通信程序來實現(xiàn)。MSComm 控件事件驅(qū)動方式的通信方式，相當(dāng)于一般程序設(shè)計中的中斷方式，當(dāng)串口發(fā)生事件或錯誤時，MSComm 控件將產(chǎn)生Oncomm事件，用戶程序可以捕獲該事件進行相應(yīng)處理。上位機界面模塊如圖5 所示。

圖5 呼叫器上位機界面

四、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

在本無線呼叫和液滴監(jiān)控系統(tǒng)中，節(jié)點的通信距離為72米，當(dāng)呼叫器通過路由器與協(xié)調(diào)器通信時，通信距離可達到110米，各節(jié)點路由器發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)擴展和中轉(zhuǎn)功能。上位機操作員可隨機處理任何呼叫器的請求，協(xié)調(diào)器按照接收請求的先后順序，發(fā)出處理結(jié)果給各個呼叫節(jié)點和響應(yīng)終端。整個系統(tǒng)經(jīng)過測試工作正常，呼叫節(jié)點能正確接收處理結(jié)果，呼叫器節(jié)點能同長時間的處于工作狀態(tài)，節(jié)點所需要的信息能夠被正確接收。詳細測試參數(shù)如表1 所示。

表1 Zigbee節(jié)點測試數(shù)據(jù)

五、結(jié)論

目前一些呼叫系統(tǒng)，主要采用有線的mobus總線、網(wǎng)線方式；或者無線采用2.4Gwifi或者是其它點對點的通信方式，主要存在電路比較復(fù)雜、架設(shè)和維護困難、成本較高等問題。而本文采用的ZigBee技術(shù)，具有移動組網(wǎng)能力，可進行網(wǎng)絡(luò)中繼和拓撲、較低的功耗和成本，非常適合無線信號在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用?；赯igbee的無線呼叫和液滴監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，將進一步推動醫(yī)療的信息化、自動化、智能化的發(fā)展，有著重要的實際意義。