基于無線傳感器網絡的病房監控系統設計

羅 寧，楊宇紅

（1.中國人民解放軍93995部隊 陜西 西安 710306；2.上海交通大學 上海 200240）

目前醫院中對病人輸液和血壓心跳等生理特征的監測大多采用人工進行，且需病人配合，此類日夜不停的監測任務加重了醫務人員與患者的負擔，特別是在晚上，更容易在昏昏欲睡時出現不應有的事故，這就導致了醫療監測的效率低下和一定程度的不安全性，造成了醫務人員不能及時得到相關數據、及時發現異常情況和缺乏輸液速度、結束提示等問題[1-2]。

針對以上問題，本文設計了一種基于無線傳感器網絡、能對病人的狀態（包括病人的輸液狀況和病人心跳、血壓等數據）自動進行采集和傳輸的病房監控系統，實現了輸液和血壓心跳等生理特征監測的自動化、智能化。設計中采用重力傳感器監測輸液的液量、速度及輸液過程，采用生理傳感器檢測病人的血壓、心跳等生理特征，并實現了自動測試、自動報警等功能；系統中的數據傳輸采用基于Zigbee技術的無線傳感器網絡，將各監測點作為無線傳感器節點，定時將各個節點采集的信息通過自動路由傳輸給控制臺中心機。在控制臺中心機上，自動比較各項數據是否在正常范圍內，并及時對異常情況發出警報；控制臺中心機還能自動發送病人特征數據定時監測指令給監測點，以便監測點做出相應的處置。這就大大降低了護理強度，減小了人為疏忽造成的醫療事故，從而極大地提高了醫療效率和質量。

1 低功耗無線傳感網絡的系統架構

本文設計的基于無線傳感器網絡的病房監控系統中采用ZigBee網絡協議棧支持網狀拓撲結構，使得整個網絡擁有很高的可靠性，廣闊的覆蓋范圍和簡單的部署方式；采用ZigBee技術的另一個原因，是因為它是一種適合低速率、短距離數據傳輸，且功耗很低的無線通信技術。

在ZigBee網絡中，有3種邏輯設備類型，它們分別是：協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End-device）。一個ZigBee網絡包括一個協調器以及多個路由器和終端設備。協調器包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發送網絡信標、建立整個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。路由器能夠提供路由服務的網絡設備，能夠實現網絡數據包的轉發，路由設備也能夠充當終端節點使用，但是路由器不能夠進入睡眠模式。終端設備是網絡拓撲結構中的葉子節點，它們僅與它們的父節點相互通訊，并且不能夠提供路由服務[3-4]。

設計的系統總體框架如圖1所示，無線網絡的監控服務系統，為一個分布式傳感網，包括控制臺中心機和輸液監控節點。圖中1為控制臺中心機，配置為無線傳感器網絡的協調器。圖中2至n為輸液監控節點，對應無線網絡的終端設備，也可作路由器。控制臺中心機可以與輸液監控節點直接通信，輸液監控節點間也可通過無線信號相互通信，當遠處的監控節點或與監控中心間通信信號被屏蔽時，輸液監控節點可以通過同類監控節點將其液面信號及病人生理信息傳輸至控制臺中心機。在一個病房監控系統中，控制臺中心機數量為1，輸液監控節點數可動態配置。輸液監控節點間及控制臺中心機之間采用IEEE 802.X/Zigbee協議進行通信。即1通過發送一個廣播信息將自已的身份廣播給周圍的節點，節點2至n將1的地址記錄在自已的地址表中，然后向1發送請求，表明自已要加入1建立的網絡中，如果1同意接收某個節點的數據，就給該節點發送一個確認信息，節點2至n收到確認信息后以路由器的身份加入網絡，并且開始以一定的間隔向1發送數據。

圖1 監控系統總體框架圖Fig.1 Structure diagram of the monitoring system

該系統的硬件實現采用了多個基于STM32W108（Cortex-M3內核）無線SOC芯片的節點板組成的ADKSTM32W-SK嵌入式無線通信開發套件，節點板上內嵌了Zigbee PRO/IEEE 802.15.4協議棧，帶有射頻功放，并可選擇安裝多種傳感器。通過調用ZigBee PRO的專用軟件庫，即安裝EmberZNet棧軟件，提供創建ZigBee無線個域網所需的基本功能，就可以在應用層上進行相應的開發[5-6]。

2 控制臺中心機的模塊設計實現

控制臺中心機核心模塊采用ARM Cortex-M3處理器，具有較高的性能和較低的動態功耗，是專門針對微控制器應用開發的主流ARM處理器。控制臺中心板上采用固定電源，上電后CPU進行初始化，啟動應用程序。根據ADK-STM32WSK無線通信開發套件所提供的軟件庫，建立基于ZigBee Pro協議棧的mesh網絡。由控制臺中心機負責發送網絡信標，建立安全有序的網絡，接收所有輸液結點上發送的信息，控制臺中心機可以與任意一個輸液監控節點通過無線信號相關聯。除此之外，系統的控制臺中心機還應具備如下功能：

1）剩余輸液量或剩余輸液時間的實時顯示；將各輸液點的殘余重量與門限值對比，預測該輸液點剩余輸液時間，對即將結束的輸液節點進行報警；

2）病人生理狀態數據顯示；將病人生理狀態值與正常范圍對比，對于不正常的狀態發出聲光報警；

3）輸液節點工作狀態顯示及聲光提示；

4）應急召喚顯示及聲光提示；

5）控制臺信息歷史記錄等。

中心板配置有串口或USB轉串口可與PC的超級終端通信，從而可將調試和程序運行狀態以及輸液系統相關信息在PC的顯示器上顯示。

主程序運行包括如下幾個步驟：

1）初始化 HAL；

2）開中斷；

3）初始化串口；

4）檢查復位信息；

5）調用 emberInit（）；

6）初始化應用程序狀態；

7）設置安全密鑰；

8）新建或重建之前的網絡；

9）進入應用子程序所在的循環（流程框圖如圖2所示），其中應用子程序的功能包括加入網絡計時，定時廣播，定時改變密鑰，檢查按鍵狀態，接收sensor傳送的數據進行相關的處理和顯示等。

圖2 控制臺中心機應用子程序流程框圖Fig.2 Flow chart of the software design for the control center

3 輸液監測節點的模塊設計實現

系統的監測節點采用的傳感器主要有3種：一是重力傳感器，位于掛鉤與輸液瓶之間，用于感知輸液瓶/袋及其藥水重量，產生于瓶重相關的電信號；二是體征感應單元，主要檢測病人的血壓心跳等生理特征，并轉換成電信號；三是開關節點傳感器，用于病人的應急傳呼。

系統的每個監測節點上都布置網絡終端設備，也作為路由器，負責接收傳感器信息并發送給控制臺中心機（中間可能經過多級路由）。各個節點具有的主要功能如下：

1）輸液殘余液體重量及病人生理狀況檢測；由醫生根據病人用藥不同，為每個輸液終端設置報警門限；

2）應急呼叫響應；

3）輸液節點狀態信息的發送。每個輸液節點采用間歇睡眠方式，每隔數秒鐘計算輸液瓶及其所含藥水分量并檢測病人的生理狀態，并將該信息通過相應的路由最終傳送至控制臺中心機

4）無線傳感網絡中的中繼節點。

5）輸液監控節點具有對電源進行檢測的功能，當電池電量低于預設門限時，向控制臺中心預警，提示更換電池。

輸液監控點有兩種布局方式：

①低功耗方式：根據應用場景及已布局好的無線傳感器間信號強度，為每個傳感器節點設置固定的通信伙伴；

②智能工作方式：通過偵測無線信號強度，采用優化算法實現動態的網絡節點間的通信關系設置；

系統監測節點模塊硬件組成如圖3所示，包括微處理器（MCU）、電源、按鍵檢測電路，WiFi通信模塊和傳感器等組成。其中電源模塊為2節1.5 V電池，實現對系統供電；MCU為低功耗單片機，上電后初始化，對WiFi無線通信模塊進行配置，對傳感器輸入數據進行處理。檢測電路為簡單開關電路，用于病人的突發呼叫。WiFi通信模塊采用IEEE802.x/Zigbee協議，實現無線模塊間的組網及通信。

圖3 系統監測節點模塊Fig.3 The modules of the monitoring node

主機MCU為節點模塊的核心部分，負責與控制臺中心機的聯網通信，接收傳感器數據，進行處理后在本地監視器上顯示或啟動聲光提醒裝置，還需將相關數據發送給控制臺中心機，其上的主程序運行步驟與中心機基本相同，不過是以路由器是身份加入到中心機所建立的網路中。而其應用子程序所在的循環的流程框圖如圖4所示，其中應用子程序的主要功能在于準備好傳感器數據，然后通過與控制臺中心機的通信協議將數據發送給中心機。

4 節點自動路由的設計

監控系統采用的ZigBee網絡的所有節點都有兩個地址：一個16位網絡短地址和一個64位IEEE擴展地址。其中16位網絡地址僅僅在網絡內部使用，用于路由機制和數據傳輸。這個地址是在節點加入網絡時由其父節點動態分配的。當網絡中的節點允許一個新節點通過它加入網絡時，它們之間就形成了父子關系。

圖4 節點MCU程序流程框圖Fig.4 MCU software design Flow chart of the node

當場景環境簡單，通信信號強度較好時，控制臺中心機可以擔當路由器，作為根節點與輸液監控節點間進行通信。如果環境不理想，有部分輸液節點與中心機間無法直接建立聯系，但可以與其它節點連接時，應用動態路由規劃，用多跳技術實現與中心機間的通信。當所有的輸液監控節點均無法與中心機建立連接時，可以在合適的位置增加監測節點，將這些節點作為路由器或父節點，最終實現互聯互通。

5 結 論

本系統的設計采用基于重力傳感器的輸液狀態信息反饋及定時的監控節點工作狀態監測機制；無論是控制臺中心機還是各個節點的核心MCU都采用單片機控制，應用IEEE802.X/Zigbee協議實現節點間及節點與控制臺中心機的可靠通信，節點也可直接與PC機進行通信；具有低電壓、低功耗的特點。

本設計利用無線傳感器網絡將采集到的輸液數據和病人的生理信息傳輸到控制臺中心機，實現了對輸液醫療過程及病人生理狀態的實時監控和異常情況報警，滿足了臨床輸液監控的需要，降低了醫務人員工作強度，提高了監護質量，具有較好的臨床應用前景。

[1]郭瑞，劉銀剛，丁柏聞．護士站點滴監測系統的研究與設計[J]．計算機測量與控制，2012，20（9）：2429-2434．GUO Rui，LIU Yin-gang，DING Bai-wen.Reserch and design of liquid dropping monitoring in nurse station[J].Computer Measurement and Control，2012，20（9）：2429-2434．

[2]陳敏亞，夏勇，徐銳．基于傳感技術的輸液監測系統的研究和設計[J]．醫療衛生裝備，2012，33（8）:36-37．CHEN Min-ya，XIA Yong，XU Rui.Sensor-based infusion monitoring system[J].Chinese Medical Equipment Journal，2012，33（8）:36-37．

[3]王殊，閻毓杰，胡福平，等．無線傳感器網絡的理論與應用[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2007．

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[5]沈建華，熊立平.STM32W無線射頻ZigBee單片機原理與應用[M].北京航空航天大學出版社，2010.

[6]Mxchip.EMB-STM32W-M使用說明實驗手冊[EB/OL].[2013.05.15]，http://www.mxchip.com/uploadfiles/toolsoft/ADK-SK/EMB-STM32W-M1.pdf