基于ZigBee技術的無線醫院病房呼叫系統設計

彭曉宇 杜露露 謝 揚

武漢船舶職業技術學院機械工程學院

0 引言

隨著科學技術的飛速發展和醫療改革的不斷深入，傳統的醫療工作環境和方式已經無法滿足醫院的發展需要，也不能滿足日益增長的服務需求。因此，當前越來越強調通過技術手段來提高醫療水平和醫療效率，滿足公眾對醫療現代化的基本需求，使醫院為公眾提供更優質的醫療服務。本文提出了一種成本低、功能較完善且技術含量高的無線病房呼叫系統。基于紫蜂協議（ZigBee），可以實現病人對護士的呼叫，管理中心對護士的管理以及存儲病人的呼叫信息。不僅醫院可以更大程度地提高服務質量及工作效率，還可以通過更加優質的服務吸引患者，提高自身競爭力。

1 系統軟硬件設計

1.1 硬件電路設計

本文設計的醫院病房呼叫系統大體分為3個部分：（1）ZigBee網絡硬件，使用TI公司的CC2530單片機，主要完成ZigBee網絡信息的傳輸，包括病人的呼叫信息、護士的確認服務信息以及電量監測信息。（2）ESP8266WiFi模塊，主要完成對ZigBee網絡協調器發送數據的接收、轉發功能。（3）Web客戶端監控終端，主要處理由ESP8266WiFi模塊發送到Internet的數據并顯示，達到監控的目的。處理系統研究框架如圖1所示。

圖1 系統研究框架

1.1.1 病人、護士節點設計

本系統采用TI公司的CC2530F256芯片，自行設計了病人節點和護士節點，為病人設計3個功能按鍵，其中1個用作呼叫，保留1個按鍵留作后續的程序開發；為護士設計了2個

功能按鍵、1個震動馬達和1個蜂鳴器，其中1個按鍵用作切換呼叫方式，1個按鍵留作后續的開發，同時，為護士節點設計了1個LED指示燈，用于功能指示。

1.1.2 協調器電路設計

協調器是網絡的神經中樞，主要執行ZigBee網絡的組建和維護，并控制節點的加入、數據分析處理及轉發；其液晶實時顯示收到的無線數據，便于觀察。該協調器在使用CC2530射頻功能的基礎上增加了串口功能，用于測試串口數據，ESP8266WiFi模塊直接和cc2530串口相接。其原理如圖2所示。

圖2 協調器設計原理

1.2 路由器電路設計

路由器是整個ZigBee網絡消息轉發的樞紐，病人節點、護士節點和協調器之間由于數據傳輸距離的限制，在相距較遠時無法直接完成數據交換，需要通過路由器來實現數據轉發功能。為了有效增加ZigBee網絡的覆蓋區域，路由器設計了功率增強模塊，提升了數據發射的功率，有效解決了數據傳輸距離的問題。功率增強模塊電路設計原理如圖3所示。

圖3 路由器設計原理

1.3 軟件設計

1.3.1 Z-Stack軟件流程設計

完整的Z-Stack工作流程可包括啟動系統、初始化驅動、初始化OSAL。系統在帶電工作后，首先執行Zmain，并運行main函數ZMain.c，此時系統恢復到初始化狀態。當初始化狀態改變后，函數osal_start_system（）開始運行，OSAL系統同時工作。為了保證每個任務部署完成，務調度函數要完成優先級檢測。在準備任務完成后，調用函數tasksArr[]對當前事件進行運行及處理，并重復運行次過程，指導所有的準備工作都確認執行完畢。當列表中的任務為空時，處理器切換至休眠待機狀態，從而達到降低能耗損失的目標。執行任務OSAL分兩個過程：（1）分配初始化的內存占用空間和選擇特定的標識號；（2）使用函數ApplicationName_ProcessEvent進行事件處理。最后，通過函數voidosalTaskAdd（）實現任務增加。

1.3.2 ESP8266WiFi模塊程序設計

本系統采用Qt語言開發。Qt是一門跨平臺的語言，在嵌入式領域具有廣泛應用。此客戶端程序主要分為兩個部分：網絡通信和設置WiFi連接。網絡通信就是UDP協議的Socket，運行客戶端時，先建立一些必要的信號與槽的連接，再等待用戶設置串口、連接WiFi以及目標機的IP地址。設置完成后，定時每隔100 ms讀取一次8266模塊數據，并將數據通過Socket轉發到Internet網絡。

2 測試結果分析

2.1 ZigBee網絡通信距離測試

ZigBee網絡通信中的護士節點和病人節點通信距離測試的數據如表1所示。

表1 ZigBee網絡通信距離測試

ZigBee網絡通信距離測試數據分析：通信距離的長短主要受天線設計的影響，現有設備的節點通信測試距離一般維持在32 m，雖然通信距離亟待提高，不過該距離已經能夠基本滿足自身系統的使用需要，此外，本課題還設計了路由器的功率增強模塊，將其作為通信樞紐，可以進一步延長ZigBee網絡覆蓋距離。

2.2 節點使用時間測試

護士節點、病人節點在使用時間改變情況下的測試數據（測試時沒有關閉液晶屏幕背光，沒有開啟省電模式）如表2所示。

表2 節點使用時間測試

節點使用時間的數據分析：當前護士節點數據測試使用的鋰電池容量為200 mA時，病人節點鋰電池容量為80 mA時。電池使用電商平臺統一采購，無法確保做工是否完全符合統一的要求，但從實際數據測試結果來看，病人的節點功耗應該與護士節點的功耗大致相同，均在16 mW左右。從使用時間上來分析，病人節點的使用時間跟護士節點使用時間明顯跟電池容量不成比例。可以確定的是，護士節點使用的鋰電池容量可能不達標，導致使用時間太短。研發團隊準備后期使用1.5 V的干電池來測試，作為參考時間。

3 結語

本文針對當前醫院廣泛采用的有線式呼叫系統存在的弊端，考慮到系統本身存在數據傳輸損耗、成本過高等特性，基于醫護人員及病人的訴求分析，制定更具針對性的基于ZigBee技術的無線醫院病房呼叫系統設計方案。該方案采用CC2530F256“單SOC”芯片，對系統軟硬件進行整合設計，從驅動層到應用層整體實現各個模塊的功能，最后通過無線通信技術ZigBee將信息傳輸至信息中樞，實現上下層網絡間的實時數據交換及監測。本方案還進行了大量的實驗測試，結果顯示，該方案可靠性高、工作穩定，能實現無線病房呼叫管理系統的預期目標，具有一定的應用價值。