基于ZigBee的病房呼叫系統的設計

劉雪鋒，孫文匯

（青島工學院，青島266300）

0 引言

近些年來各大醫院病房時常處于人滿為患的狀態，隨之而來的弊端是患者在病房時與醫護人員的聯系也變得不方便。隨著醫療行業信息化改革步伐的不斷加快，國內許多大中型醫院都已經實現了病房的實時呼叫，然而現有系統依然存在設備維護麻煩的缺點。本文提出采用ZigBee技術設計的醫療病房呼叫系統的方案，以便于更好地適應現代化的腳步，改變現有的病床呼叫系統中存在的不足，并提高醫院病床管理的效率。基于ZigBee的“病房呼叫系統”可實現對醫院病房的智能化管理，它有著實現按等級呼叫、監聽、顯示、信息存儲等功能，由此既方便了病患及其家屬呼叫護士，也方便了護士對病患出現的狀況做出正確的判斷，為患者的搶救爭取了時間。

1 系統設計方案

病房呼叫系統大體分為：硬件部分和軟件部分。其中，硬件部分包括：主控芯片、電源、節點。本文的重點集中在組網通信方面。本文采用的主控芯片是TI的ZigBee主推CC2530芯片，使用Z-Stack協議棧，采用的開發環境是IAR Embedded Workbench，它可以直接使用TI公司所提供的Z-Stack協議棧進行開發，采用仿真器CC-Debugger進行仿真驗證。

1.1 整體架構設計

整個病房呼叫系統由病房呼叫器節點、呼叫器節點路由器、ZigBee協調器和病房呼叫控制中心-上位機組成。病房呼叫系統整體架構圖如圖1所示。

（1）病房呼叫器節點

呼叫節點主要由電源模塊、ZigBee無線模塊、CC2530芯片和其他功能模塊構成。它的功能主要是在病患按下呼叫按鍵后，采集并預處理患者的基本信息，并將信息和節點地址上傳給節點路由器。

（2）呼叫器節點路由器

呼叫器節點路由器主要由電源模塊、ZigBee無線模塊、CC2530芯片和其他功能模塊構成。節點路由器的主要的任務是負責網絡的發起和維護，把病房呼叫器節點發來的數據上傳給ZigBee網關并將ZigBee網關命令傳遞給呼叫節點。節點路由器也可以作為一個普通的節點使用[1]。

（3）ZigBee協調器

ZigBee協調器負責建立ZigBee局域網絡，并且病房呼叫控制中心——上位機和呼叫節點路由器間傳遞病患發來的呼叫信息。與此同時，它也可以作為一個普通的病房呼叫器節點來使用。

（4）病房呼叫控制中心——上位機

病房呼叫控制中心就是個人電腦，它主要負責處理最終上傳來數據，并在電腦屏幕上顯示呼叫信息。

圖1 病房呼叫系統整體架構圖

1.2 病房呼叫器節點結構設計

ZigBee核心板包括CC2530芯片和收發天線，還包括幾個濾波電容，幾個保護電阻，一個32MHz石英晶振，在串口無線通信的時候，要用32MHz的石英晶振作為高頻時鐘來源。

圖2 病房呼叫器節點結構圖

1.3 病房呼叫器節點按鍵

病房呼叫器節點比較簡單只有三個按鍵和三個10K?限流電阻，它們分別連接到CC2530主控芯片上的外部中斷上。分別按下會發送不同的信息給上位機，發送的信息按緊急程度從高到低依次分別為“緊急搶救”、“換藥”、“幫助”。

1.4 串口模塊和電源模塊

本文中采用了一顆RS232-USB接口轉換器芯片PL2303，集成度較高，它可提供USB功能接口，可以很方便地連接RS-232進行全雙工異步串行通信裝置。

電源在實際病房里應用時使用7號3.7V鋰電池，通過LDO穩壓供電。ZigBee的最大優勢之一就是省電，在低耗電待機模式下2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月，甚至更長，所以說在病房里不需要擔心因節點電量耗盡而無法呼叫導致延誤病人的治療等情況。CC2530板提供了3.3V和5V兩種電源。

2 組網與串口通信

2.1 組網

把ZigBee技術應用到病房呼叫系統中的優勢在于它的網絡范圍廣，網絡容量大，在整個網絡正常運行的時候，節點可以自由的加進和退出網絡，并且整個網絡的穩定不造成影響，只需要完成本節點信息的初始化，大大地節約了資源，提高了系統的使用效率。

（1）網絡建立

ZigBee網絡的發起和建立是由協調器完成的。ZigBee無線局域網中，節點（無線模塊）按照在網絡中的功能劃分為協調器、路由器和終端。它們的硬件可以完全一樣，之所以在網絡中表現不同的功能，是因為下載了不同功能的代碼。一個模塊到底是協調器、路由器還是終端，前提是它必須在一個ZigBee無線局域網里，如果它還沒有入網，那么它僅僅是一個下載了相應功能代碼的模塊而已。任何一個ZigBee模塊要接入一個網絡，一定要一個處于該網絡的節點作為介紹人，并且這個介紹人不能是終端節點，要么是路由器，要么是協調器。在本設計中為了便于系統的實現、維護和觀察，采用星狀網絡拓撲結構[2]。

（2）呼叫終端節點入網

圖3為呼叫終端節點入網的流程圖。下載了終端代碼的節點模塊，上電后第一件事是尋找網絡請求加入，這個網絡是不會平白無故產生的，創建網絡這個工作由下載了協調器代碼的模塊來完成。

圖3 呼叫終端節點入網流程圖

（3）協調器組網

協調器上電后，首先檢測周圍有無建好的網絡，如果沒有，協調器就檢查哪條信道的信號比較好，協調器會選擇一個信號相對良好的信道發起網絡建立的請求，網絡建好后，協調器就會在網絡里發出廣播，等待其他節點加入此網絡。協調器組網流程圖如圖4所示。

2.2 串口通信

硬件只能做到組網連接、傳送消息等任務，完整的系統實現還得需要軟件的配合，需要有能夠發送病房呼叫信息的節點與協調器通信，協調器與上位機的通信，上位機的顯示和控制整個網絡，才能組成整個無線病房呼叫系統的實現。軟硬件的組合需要通信協議來把它們串聯起來。

病房呼叫系統串口通信主要的有三個部分：啟動高頻晶振、初始化、等待串口中斷發送數據。

圖4 協調器組網流程圖

（1）高頻晶振的啟動

要使用串口要讓CPU工作在32MHz高頻時鐘下，開啟高頻時鐘函數代碼如下：

void Cfg32M（）

{

SLEEPCMD&=0xFB;//fB 0 00讓2個時鐘源都起振

while（0==（SLEEPSTA&0x40））;//0100 0000 如 果32M晶振供電且穩定了，那么程序往下運行

CLKCONCMD&=0xF8;//1111 1000不分頻輸出

CLKCONCMD&=0xBF;//1011 1111讓32M作為系統主時鐘供給CPU

while（1==（CLKCONSTA&0x40））;//如果 32M 確實供給CPU在工作，那么程序往下執行

SLEEPCMD|=0x40;//0000 0100

}

（2）初始化串口中斷

要使用串口中斷，初始化是必不可少的，串口的初始化代碼如下：

void UartCfg（）

{//串口0的備用位置1配置成波特率9600

PERCFG&=0xFE;//1111 1110選中串口0的備用位置1

P0SEL|=0x0C; //0000 1100 P0_2 p0_3為偏上外設功能

U0CSR|=0Xc0;

U0GCR=8;

U0BAUD=59;

EA=1;

URX0IE=1;

}

（3）發送數據

進入串口中斷，按字節存入發送緩沖區，由發送緩沖發送數據，串口中斷函數如下：

_interrupt void sdfs（void）

{

URX0IF=0;//串口0來數據的標志位，硬件會置1，軟件要清0

ch=U0DBUF;//從接受寄存器里取字節存入變量ch

U0DBUF=ch;//

while（0==UTX0IF）;

UTX0IF=0;

}

3 系統調試與驗證

（1）ZigBee協調器調試

終端發送消息給協調器，協調器負責與上位機的通信，兩者的程序不是一樣的。兩者需要分開調試，而本論文所研究的ZigBee通信協議主要是在HJApp.c中進行，具體過程為：

打開IAR軟件，將協調器主程序添加入HJApp.c中，點擊保存-＞點擊編譯-＞程序仿真-＞查看，然后選擇工作方式為協調器模塊CoordinatorEB-Pro，將仿真器連接節點模塊與電腦USB接口，點擊下載程序，點擊全速運行，程序燒就寫進ZigBee節點模塊作為協調器了。

（2）病房呼叫器節點調試

節點程序的燒錄與協調器的燒錄只有一點不同，那就是在選擇工作方式的時候選擇EndDeviceEB-Pro選項，工作在終端模式下，編譯、仿真及燒錄和協調器都是一樣的。下載完成后查看終端節點的工作是否正常，在協調器上電的情況下，給終端節點供電，看是否能加入到協調器的網絡當中去，看終端節點上的指示燈狀態，如果在閃爍，表示終端沒有加入網絡，當一直亮的時候表示已入網。

圖5所示為呼叫器節點。主要由三個外接獨立按鍵、CC2530最小系統板和嵌入了電源模塊與串口模塊的功能底板組成。外接獨立按鍵由杜邦線接到CC2530芯片的P0.0、P1.2和P2.0。圖6為系統上位機截圖。

圖5 終端連線圖

圖6 上位機截圖

4 結語

本課題主要是在TI公司提供的Z-Stack協議的基礎上，通過添加需要的功能模塊，從而搭建出一個Zig-Bee病房呼叫系統網絡。把CC2530射頻芯片作為主控芯片，終端呼叫節點主要是按鍵與控制電路。選用了TI公司的Z-Stack協議棧作為硬件通信協議，在滿足硬件需求的前提下進行協議的編寫，使其節點完成與協調器的通信。系統可以將按鍵信息通過終端節點發送給協調器，協調器經過分類整合將數據反饋給上位機，上位機可通過判別信息提醒護士。

ZigBee技術的應用提高了病房呼叫的呼叫效率，節約了人力物力，降低了因呼叫不及時耽誤患者最佳治療時間的發生。而且系統開發價格不高，組裝和維護也比較簡單，而ZigBee協議是標準統一的，再加上整個網絡有自動組網的能力，只要呼叫器上電，自動加入網絡，有利于呼叫節點的擴展[3]。