基于ZigBee的醫院病房呼叫系統設計

姬智

摘 要：近年來，無線技術等智能化技術發展迅猛，其中，ZigBee技術屬于短距離無線通信技術，具有網絡容量大、傳輸速率低、成本小、功耗低、穩定和靈活等特點，受到社會各界廣泛的關注。本文主要探討根據ZigBee技術設計的無線病房呼叫系統，以滿足醫院對病房呼叫系統的需求，方便患者應用，提高護理服務質量，為廣大患者提供更加優質、全面、系統的服務，提高患者的滿意度。本設計方案以CC2530型芯片作為主控芯片，配有液晶顯示屏和按鍵，兼具報警、振動等功能，便于醫護人員與患者進行實時交流和溝通。本設計采用C語言編程并經過仿真論證，能夠確保系統高效運轉，有助于及時滿足患者的治療和康復需求。

關鍵詞：ZigBee;醫院病房呼叫系統;功耗;網絡容量;傳輸速率;患者滿意度

中圖分類號：R197.3;TN92文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0030-03

Abstract： In recent years， intelligent technologies such as wireless technology have developed rapidly， among them， ZigBee technology belongs to short-distance wireless communication technology， which has the characteristics of large network capacity， low transmission rate， low cost， low power consumption， stability and flexibility， and has attracted wide attention from all walks of life. This paper mainly discussed the wireless ward call system designed according to ZigBee technology to meet the hospital's demand for the ward call system， facilitate patient application， improve the quality of nursing service， provide more high-quality， comprehensive and systematic services for the majority of patients， and improve patient satisfaction. This design uses the CC2530 chip as the main control chip， equipped with an LCD display and buttons， and has functions such as alarm and vibration， which facilitates real-time communication and communication between medical staff and patients. This design adopts C language programming and has undergone simulation demonstration， which can ensure the efficient operation of the system and help to meet the treatment and rehabilitation needs of patients in time.

Keywords： ZigBee;hospital ward call system;power consumption;network capacity;transmission rate;patient satisfaction

基于ZigBee的醫院病房呼叫系統具有呼叫、顯示、監聽及信息存儲等功能，便于對醫院進行智能化管理，有利于患者及其家屬及時呼叫護士，同時有助于護士及時準確判斷患者病情并及時反饋給臨床醫生，提高救治效率，改善患者生存品質。

1 ZigBee技術概述

ZigBee技術能夠滿足低價位的小體積裝置組網與控制需求，在家庭、商業及工業等智能化、自動化進程中均發揮著非常重要的推動作用。該技術具有可靠性高、復雜度低、功耗小和成本低等特點，屬于新型短距離雙向無線通信網絡技術，以ZigBee協議棧為核心部分，與傳統無線傳感器網絡協議棧存在較大差異。當前，國內病房呼叫系統主要包括傳統的硬件布線式呼叫系統及無線式呼叫系統，存在設備功能簡單、安裝難度大、維護成本高以及管理復雜等特點，也存在接觸不良、線路老化等安全隱患，醫生及護士無法及時為患者提供醫護服務[1]。

2 系統設計

進行系統設計時，必須充分考慮系統本身的穩定性、靈活性與可靠性，分析醫院電磁環境造成的影響、系統便攜端能耗問題、系統數據傳輸和網絡覆蓋面等方面，確保所設計系統尤其是便攜終端具有良好的延展性。

2.1 硬件系統設計

系統電路原理圖主要包括CC2530最小系統模塊、接口模塊、按鍵模塊、聲光報警模塊、振動馬達驅動模塊以及電源穩壓模塊等。

2.1.1 CC2530最小系統。它包含電源供給、天線耦合電路、外部晶振電路和RC復位電路等必要電路。其中，天線耦合電路由前端射頻天線耦合而成，為最佳射頻電路。外部晶振電路由CC2530內部集成無線射頻收發，為了保證系統時序的精確性，必須應用高精度晶振，此外，還需要通過降頻、倍頻使射頻及低功耗等功能得到實現。RC復位電路與C51單片機使用原理相同，均為利用電容的充電及放電特性，最后加上GND及電源即可構建CC2530最小系統。

2.1.2 報警電路。其主要包括振動馬達模塊及聲光報警模塊。震動馬達以NPN型三極管為開關管，作為感性元件，馬達啟動或者停止的瞬間內部電流及磁場可對原磁場方向變化產生阻礙作用并產生反向電壓。為了避免反向電壓擊穿NPN三極管，必須為電路設計保護裝置，通過添加二極管的方式消耗掉反向電壓生成的電流。當處于低電平狀態時，馬達停止運行，而處于高電平狀態時，馬達則正常運行。聲光提示驅動電路主體部分包括限流電阻2個、LED燈1個、蜂鳴器1個以及NPN型三極管（S8050）1個。聲光報警模塊工作原理為基于三極管工作狀態，NPN三極管引腳可分為基級、發射極以及集電極，發射極接地GND，給予基極高電平時，發射極及集電極導通，集電極上負載即可獲得電流回路。5 V電源釋放的電流分別流經負載蜂鳴器、LED燈、電阻以及NPN三極管的集電極，最終回流至發射極及電源GND，能夠保證電流回路的完整性并負載工作。發射極接地GND且基極施加低電平時，發射極及集電極時間截止，可阻礙集電極上電流向GND回流，負載停止工作。據此，可通過CC250 IO口直接控制LED燈及蜂鳴器。此外，還可通過該方法控制負載三極管[2]。

2.1.3 按鍵電路。按鍵電路根據CC2530 IO口的高電平特性進行設計，IO口檢測到低電平時則表明按鍵按下。但是，因按鍵存在機械抖動等特點，可通過軟件將GND與按鍵另一端相連，按下按鍵時對應IO口即可變成低電平。主要采用上拉電阻的方式確保按鍵狀態的穩定性，此外，由于CC2530 IO口內部有上拉電阻，可通過軟件進行配置，而且無須于外部添加上拉電阻。

2.1.4 電源穩壓電路。電源穩壓電路電源為能量供應來源，在電路系統中發揮著不可替代的作用。優質電源對于保持電路系統穩定有重要價值，質量不佳電源容易導致電路系統崩潰，甚至出現電路損壞現象。電流參數包括電壓輸出值、電流輸出能力以及電源紋波。電壓輸出值即為最終轉換后的電壓值;電流輸出能力表明電源帶動負載大小及提供功率的大小。以5 V為系統輸入電源，可通過降壓獲得3.3 V電源。由于CC2530為低功耗芯片，采用LDO線性穩壓器，此次研究采用AMS1117-3.3V LDO線性穩壓器型，其屬于低成本線性穩壓器。AMS1117-3.3V芯片共有四個管腳，第1個管腳應用于電源接地，第2、4個管腳應用于電源輸出，第3個管腳應用于電源輸入，具有應用方便等特點，在各個領域均有著廣泛的應用，如工業控制、醫療器械、智能家電控制、電視等電子產品。其間分別于電源輸入部分及輸出部分添加穩壓電容，即可獲得具有極小紋波的電源輸出。在輸入端為5 V情況下，AMS1117-3.3V可輸出IA電流能力為3.3 V的電源電壓[3]。

2.1.5 接口電路。接口電路音播報模塊之間的交互接口應用UART串口通信，處于通信狀態時，波特率為9 600。其以SPI接口為屏幕接口，可應用于驅動OLED128×64屏幕。同時，其應用由TI公司設計的調試仿真接口，可對下載程序進行單步調試，應用方便。

2.2 軟件系統設計

軟件系統設計主要包括ZigBee終端部分及ZigBee協調器部分。

2.2.1 軟件開發環境。本設計以IAR8051為軟件開發環境，與KEIL相比，其IAR編譯效率更高，在確保相同功能代碼實現時，IAR編譯輸出的文件占用程序空間為A，KEIL編譯輸出占用程序空間為A+B，由于單片機資源相對有限，因此以IAR為CC2530開發環境，主要原因在于IAR占用資源少且具有編譯效率高等特點。

2.2.2 ZigBee終端程序設計。ZigBee終端程序設計程序開始后，初始化ZigBee協議棧，包括ZigBee網絡搜索及注冊等基礎代碼，可由ZigBee協議棧自動完成，程序執行timer定時器初始化，有助于保證定時事件及延時事件的精確性。然后，初始化uart串口，程序調試時程序變量的實時數據及程序運用至何處，均可自uart串口獲取。最后，key按鍵程序進行初始化。按鍵在松手或者按下時均會出現機械抖動現象，導致按鍵狀態發生變化。因此，可運用按鍵狀態機思想以及timer定時器使抖動得到消除，減少系統資源浪費。所用功能初始化后，程序即可進行循環，循環中ZigBee終端主要判斷兩個事件，包括按鍵是否按下以及是否接收到無線數據。接收到無線數據后，ZigBee終端可對無線數據是否為呼叫命令做出準確判斷，ZigBee終端均有一個地址，呼叫命令中第一個字節即為呼叫地址，若自身地址與命令中地址保持吻合，則表明護士站正在呼叫該病床。震動馬達及蜂鳴器同時啟動進行提示。按鍵按下后，對呼叫鍵及取消鍵進行判斷并將ZigBee終端自身編號及鍵值打包傳輸至ZigBee協調器，然后由協調器進行處理，可使自ZigBee終端呼叫至ZigBee服務臺的過程得以實現[4-5]。

2.2.3 ZigBee協調器程序設計。ZigBee協調器程序設計開始后，與ZigBee終端一致的部分驅動代碼獲得執行，ZigBee協議棧進行初始化，timer等功能得到驅動后，OLED屏幕驅動獲得執行，程序進入循環。循環中，ZigBee協調器無線循環可對三個事件進行準確判斷，包括是否接收到無線數據、按鍵是否按下以及屏幕是否更新。ZigBee協調器接收到無線數據時，可對是否為呼叫命令做出判斷，第一個字節為呼吸發起地址，可根據該地址明確病床號，結合呼叫者地址及時更新屏幕內容并進行語音播報。按下按鍵時，可判斷是取消鍵還是呼叫鍵并可將鍵值通過無線送至ZigBee終端進行處理。接收到無線數據或者按鍵按下后，即可結合處理結果更新屏幕[6]。

3 試驗結果分析

應用控制變量法進行相關功能驗證，在其他條件一致的情況下，護士站呼叫ZigBee終端后，終端可產生響應，主要包括振動電機振動及蜂鳴器鳴叫等，同時可配合語音播報。若ZigBee終端取消呼叫護士站，護士站立即響應，表現為屏幕內容更新、ZigBee終端顯示在屏幕上的編號被刪除以及振動、蜂鳴器鳴叫停止、語音播報關閉等。所有功能均得到驗證，能夠使系統要求得到充分滿足。

4 結語

基于ZigBee的醫院病房呼叫系統設計具有安裝及擴展方便、成本低以及可靠性高等特點，能夠避免既往有效呼叫系統存在的相關問題，而且ZigBee網絡還具有自組網特性，既能夠有效管理無線網絡，還能夠減少無線信號沖突等相關問題。此外，ZigBee支持雙向通信，而且組網簡單，可為護士中心及患者節點提供暢通無阻的通信通道，其不僅具有呼叫系統基本呼叫及取消功能，還具有無線雙向呼叫功能，能夠大大提升護士站對患者的呼叫效率，也方便患者隨時尋求醫護人員幫助，有助于醫護人員及時為患者提供優質服務，這樣能夠節省物力及人力資源，防止呼叫不及時而造成患者身心健康受損進而引發醫療糾紛。

參考文獻：

[1]陳海生.基于ZigBee的病房叫號系統的設計[J].醫療裝備，2016（11）：43-44.

[2]葛廣英，葛菁，趙云龍.ZigBee原理、實踐及綜合應用[M].北京：清華大學出版社，2015：33-35.

[3]許建國，張佳，郭麥成.基于物聯網的醫院病房智能監護系統設計與實現[J].現代電子技術，2018（8）：83-86.

[4]湯明，鄭婧，黃文婷，等.基于ZigBee的無線振動傳感器設計與實現[J].傳感技術學報，2018（2）：312-318.

[5]薛光輝，姜志憲，王東，等.基于ZigBee技術無線傳感器網絡通信站研制[J].煤炭工程，2017（11）：25-28.

[6]李洪博，湯云鶴，王旭康.基于無線通信模塊的智能醫療呼吸系統的設計[J].遼寧工業大學學報，2017（4）：230-233.