一種基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)用腕帶

程譽(yù)朝++莊波++余學(xué)海

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一款采用ZigBee技術(shù)的新型智能醫(yī)用腕帶，為醫(yī)護(hù)人員和病患提供呼叫功能。文章首先對(duì)腕帶的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了說明，之后對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行介紹，并對(duì)設(shè)備的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，最后對(duì)設(shè)備的丟包率進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，文中設(shè)計(jì)的醫(yī)用腕帶可以很好地實(shí)現(xiàn)無線呼叫功能。

關(guān)鍵詞：ZigBee；醫(yī)用腕帶；丟包率；無線呼叫

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

現(xiàn)有的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備大多采用有線技術(shù)進(jìn)行組建并傳遞病人的信息。該類有線方案的可升級(jí)性差、布線繁瑣、成本高且無法移動(dòng)。由于有線方案采用線路連接，因此隨著使用時(shí)間的增加線路容易發(fā)生老化或被腐蝕、磨損，設(shè)備的故障發(fā)生率也隨之越來越高，而且在系統(tǒng)維護(hù)、錯(cuò)誤排查階段存在較大困難。

正是基于對(duì)上述醫(yī)院呼叫設(shè)備所暴露的種種問題的思考，為解決現(xiàn)有病房呼叫系統(tǒng)存在的不足，同時(shí)簡(jiǎn)化病人看病的流程，提高醫(yī)護(hù)人員的救護(hù)效率，為病人提供優(yōu)質(zhì)和人性化的服務(wù)，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的智能醫(yī)用腕帶。

1 醫(yī)用腕帶的設(shè)計(jì)方案

基于ZigBee的智能醫(yī)用腕帶的系統(tǒng)框圖如圖1所示。腕帶由微處理器、ZigBee通信單元、呼叫按鈕、電源模塊組成。同時(shí)，為保證腕帶的正常工作，還為其配備了路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器，主控中心，護(hù)士主機(jī)等一系列輔助設(shè)備與應(yīng)用。腕帶的工作場(chǎng)景如圖2所示。腕帶采用ZigBee無線通信，無線消息通過路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器的路由，能夠?qū)崿F(xiàn)病人與護(hù)士、主控中心間的信息交互。該腕帶在提高可靠性，保障病人隱私的同時(shí)，方便了醫(yī)護(hù)人員對(duì)于病人狀態(tài)的及時(shí)了解。

2 關(guān)鍵技術(shù)介紹

ZigBee是一種適用于近距離、較低功耗、低成本以及低傳輸速率場(chǎng)景的具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，該技術(shù)可滿足小巧的低端價(jià)位裝置的組網(wǎng)以及控制需求。

ZigBee協(xié)議采用分層設(shè)計(jì)思想，協(xié)議在制定時(shí)參考了OSI模型。協(xié)議可以看做是一個(gè)5層結(jié)構(gòu)，即從低到高依次為物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層和應(yīng)用層。其中下面兩層由IEEE定制，中間兩層由技術(shù)聯(lián)盟負(fù)責(zé)。這樣，用戶只需要將精力集中到針對(duì)自己的要求進(jìn)行裁剪或軟件編輯即可，使用方便靈活。

ZigBee技術(shù)具有支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的能力，可以滿足不同規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)需要，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

在這三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校切秃蜆湫途W(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)到多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。而Mesh型網(wǎng)絡(luò)則具有更加靈活的信息路由規(guī)則。在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通訊。通常在支持Mesh網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑，并具有較強(qiáng)的自愈、自組織功能。

3 硬件設(shè)計(jì)

醫(yī)用腕帶的硬件主要包括CC2530模塊、可充電電源模塊、呼叫按鈕、ZigBee無線通信模塊。其系統(tǒng)框圖如圖4所示。

醫(yī)用腕帶的微處理器采用TI公司的CC2530芯片，該芯片是TI公司開發(fā)的一款基于增強(qiáng)型51內(nèi)核的射頻芯片，具有8 KB的RAM及32、64或128 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，是一套真正的片上系統(tǒng)。CC2530支持符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的Z-Stack協(xié)議棧，同時(shí)配備21個(gè)通用I/O，具有DMA，UART，定時(shí)器等常用外設(shè)，芯片集成度高，功能相對(duì)完善。

電源模塊采用可充電電池，通過MAX8881EUT低壓差線性穩(wěn)壓器將7.2 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為CC2530芯片所需的3.3V電壓。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)備入網(wǎng)過程

圖5簡(jiǎn)述了腕帶的入網(wǎng)過程。工作人員首先需要啟動(dòng)協(xié)調(diào)器，并一直處于運(yùn)行狀態(tài)。協(xié)調(diào)器在組建網(wǎng)絡(luò)后，其余設(shè)備可以發(fā)出請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)的信息，同時(shí)協(xié)調(diào)器會(huì)為每個(gè)在網(wǎng)設(shè)備分配唯一的16位短地址，并在后續(xù)通信過程中，根據(jù)該地址實(shí)現(xiàn)對(duì)各設(shè)備的識(shí)別與通信。

4.2 醫(yī)用腕帶與護(hù)士主機(jī)的綁定操作

醫(yī)用腕帶采用ZigBee無線通信協(xié)議，并采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苑奖銓?shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)及點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。在設(shè)備工作過程中，結(jié)合醫(yī)院內(nèi)病人呼叫的實(shí)際情況，對(duì)腕帶與指定的護(hù)士主機(jī)進(jìn)行綁定操作。使病人發(fā)送的信息傳送到協(xié)調(diào)中心與指定護(hù)士主機(jī)，從而避免消息串?dāng)_。綁定操作主要分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種形式。

4.2.1 主動(dòng)綁定

圖6描述了主動(dòng)綁定的工作過程。具體步驟如下：

（1）病人腕帶設(shè)備根據(jù)存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)區(qū)的64位IEEE地址主動(dòng)向主控中心即協(xié)調(diào)器請(qǐng)求指定護(hù)士主機(jī)的16位短地址。

（2）協(xié)調(diào)器在收到請(qǐng)求后，根據(jù)接收到的64位IEEE地址，在已入網(wǎng)設(shè)備列表中進(jìn)行檢索，若檢索到該設(shè)備，則將該設(shè)備的16位短地址發(fā)送給請(qǐng)求方，否則發(fā)送至協(xié)調(diào)器。

（3）病人腕帶設(shè)備在收到請(qǐng)求后，則將該網(wǎng)絡(luò)地址存儲(chǔ)到設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)區(qū)，并將護(hù)士主機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)志字段置位已獲取狀態(tài)。此后，在需要發(fā)送信息時(shí)，將消息發(fā)送至對(duì)應(yīng)地址設(shè)備。

上述為主動(dòng)“綁定”的工作過程，該過程主要發(fā)生在以下兩種情況：

（1）設(shè)備復(fù)位重啟后，檢測(cè)非易失性存儲(chǔ)區(qū)的護(hù)士主機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址字段，若為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址，則執(zhí)行該操作。

（2）定期對(duì)腕帶護(hù)士主機(jī)網(wǎng)絡(luò)地址標(biāo)志字段進(jìn)行檢測(cè)，若為未獲取狀態(tài)，則執(zhí)行該操作。

4.2.2 被動(dòng)“綁定”

圖7描述了主動(dòng)“綁定”的工作過程。具體步驟如下：

（1）管理人員通過主控中心修改在網(wǎng)病人腕帶的綁定信息，并將其發(fā)送給協(xié)調(diào)器。信息內(nèi)容主要包括欲修改的病人設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址，及護(hù)士主機(jī)的IEEE地址和16位短地址。

（2）協(xié)調(diào)器在收到被動(dòng)“綁定”消息后，將該消息經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給指定的病人設(shè)備。

（3）病人設(shè)備在收到來自協(xié)調(diào)器的主動(dòng)“綁定”消息后，對(duì)設(shè)備的非易失性存儲(chǔ)區(qū)中的護(hù)士主機(jī)的IEEE地址和16位短地址字段進(jìn)行替換。

5 設(shè)備通信性能測(cè)試

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性決定著整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。本小節(jié)將對(duì)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的丟包率進(jìn)行測(cè)試。

在存在障礙物的環(huán)境下，將五個(gè)節(jié)點(diǎn)散布在樓道內(nèi)，構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)。各節(jié)點(diǎn)每隔800 ms向協(xié)調(diào)器發(fā)送長(zhǎng)度為100 B的數(shù)據(jù)包，連續(xù)發(fā)送1 000個(gè)。協(xié)調(diào)器與子節(jié)點(diǎn)預(yù)先設(shè)定好數(shù)據(jù)包內(nèi)容，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)包時(shí)，對(duì)內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，若完全一致，則說明數(shù)據(jù)發(fā)送成功，并將數(shù)據(jù)通過串口輸出到PC上，否則發(fā)送失敗。

表1所列為具體的測(cè)試結(jié)果，一共5組，平均丟包率為2.62%，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的醫(yī)用腕帶具有較高的傳輸可靠性。

6 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的智能醫(yī)用腕帶為醫(yī)用呼叫與身份識(shí)別提供了解決方案。借助ZigBee無線通信技術(shù)，使得該設(shè)備具有良好的可移動(dòng)性和可擴(kuò)展性，同時(shí)解決了傳統(tǒng)有線病房終端固定、布線復(fù)雜、費(fèi)用高等問題。隨著計(jì)算機(jī)、ZigBee技術(shù)的發(fā)展和推廣，該智能腕帶還可以進(jìn)一步擴(kuò)展成為包含遠(yuǎn)程監(jiān)控、無線定位、可實(shí)時(shí)傳輸病人各種生理信息等強(qiáng)大功能的無線醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，擁有較大的發(fā)展空間。

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