摘 要： 介紹了一種基于Zigbee技術的病房監護系統設計。首先分析了Zigbee網絡拓樸結構，然后介紹了一種基于Zigbee的無線傳感網絡系統架構，采用LC2480無線網絡模塊實現了無線終端的設計，給出了相應的軟件設計流程圖，最后進行了模擬測試研究。該系統在醫院內和醫院間的智能醫療監護方面有著廣泛的應用前景。
關鍵詞： 病房監護；無線傳感網絡；Zigbee；節點
我國醫療資源緊缺，開發醫院局域型的智能化監護網絡可以減少醫護人員的工作負擔，提高醫護人員工作效率和服務質量。傳統的解決方案是采用有線或簡單的無線數據收發方式，被監護者身上安裝的傳感器設備不能自由靈活地移動和接入網絡，系統沒有可擴展性。采用Zigbee技術為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案，Zigbee節點可以覆蓋幾十米的范圍，而且可以自由地增加路由節點，擴展覆蓋范圍，非常適用于局域型醫院住院護理。由于生理監護的數據傳輸量不大，Zigbee的250 kb/s的傳輸速率能夠滿足生理數據的傳輸要求。Zigbee傳感節點可以自由地接入和退出網絡，具有低功耗和低成本的特點，因而Zigbee無線傳感網絡在局域型的醫護監控系統中有著良好的應用前景。
1 基于Zigbee的無線傳感網絡系統架構
1.1 Zigbee網絡拓樸結構
Zigbee是一種近距離無線網絡連接[1]，該技術的主要特點是低速、低功耗和低成本，支持大量的網絡節點、支持多種網絡拓樸。它工作于2.4 GHz（全球）、868 MHz(歐洲)及915 MHz(美國)的ISM頻段，遵循IEEE802.15.4技術標準。在Zigbee網絡中，有三種主要的網絡拓樸，分別是星狀、樹狀和網狀，如圖1所示。
根據功能不同，無線網絡節點包括協調者節點（Coordinator）、路由器節點(Router)和終端節點(End Device)，在圖1中以不同的形狀表示，每個Zigbee節點都由具有無線收發功能的無線單片機CC2430[2]組成，在無線單片機內部安裝有Zigbee無線網絡軟件協議棧。在Zigbee網絡組織結構中，每個個人區域網必須有一個唯一的協調者節點，該節點承擔網絡時序管理、網絡協調、存儲網絡地圖、允許其他設備加入網絡、網絡組織、路由信息等，是一個全功能節點，任何時刻都必需打開無線收發功能，在Zigbee網絡中有著非常重要的作用。
1.2 病房監護網絡體系結構
基于Zigbee無線傳感網絡的病房監護系統[3-5]主要由各病房內部具有相應數據采集功能的Zigbee無線傳感器節點、以病房為單位的若干個具有路由功能的無線節點和院內Zigbee中心網絡協調器組成。網絡協調器連接Zigbee無線網絡與以太網，是整個醫院無線網絡的核心部分，負責無線傳感器網絡節點和設備節點的管理，系統結構如圖2所示。圖中ZR為具有路由功能的FFD節點，ZE為無線傳感器終端節點。無線傳感器節點可以通過各路由節點向無線網關發送數據，由于被監護者在病房或醫院內自由活動，所以其攜帶的傳感器節點的路由是動態變化的，無線傳感器終端節點與路由節點形成的是一個自動跳變的多跳網絡。由于無線傳感器終端節點的室內通信距離為幾十米，路由節點可根據病房的分布進行布置，以能夠最大程度地覆蓋活動區域。因而該系統具有很大的靈活性及擴展性，同時，該系統可以方便地接入Internet網絡，形成更大的醫院間醫療監護網絡，以實現醫療資源共享。
2 無線傳感器網絡節點設計
無線傳感器網絡節點的設計可以采用一個無線收發芯片和一個微控制器組成，隨著技術的發展，越來越多的公司將無線收發芯片和微控制器做成了一個片上系統，設計中采用TI公司的CC2430。CC2430芯片是一種采用8051內核的Zigbee無線單片機，它包括一個高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一個工業級小巧高效的8051控制器。芯片上集成了Zigbee射頻前端、內存和微控制器，具有32/64/128 KB可編程Flash和8 KB的RAM，還包含模/數轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES-128安全協處理器、看門狗定時器（Watchdog Timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O腳。整個網絡處理器模塊設計采用無線龍公司的LC2480網絡處理模塊，LC2480網絡處理模塊采用了標準Zigbee的CC2430芯片，內置了無線龍公司開發的兼容軟件，LC2480網絡處理模塊原理示意圖如圖3所示。
3 傳感器終端節點電路設計
傳感器終端節點主要完成各種生理數據信息的采集，如體溫、血壓和心電信號等。由于特殊環境的要求，設計中要求具有體積小、功耗低和抗干擾能力強等特點。在無線網絡節點設計時，為了便于功能擴展，預留了足夠的傳感器接口，如果在實際使用中需要功能擴展，只要接入相應的數據采集傳感器，開發相應的嵌入式控制軟件，就可以直接加入無線傳感網絡，并進行數據的采集與傳輸。圖4給出了一種血壓傳感器接口電路的設計方案框圖，根據血壓信號阻抗大、信號弱和不穩定的特性，要求血壓傳感器接口電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的特點。
由傳感器采樣袖帶內變化的壓力信號，從中分離出脈搏信號，找到收縮壓和舒張壓對應的位置，從而得到數據。將來自傳感器的信號放大，經低通濾波和帶通濾波后得到壓力信號，再經主放大器放大和信號調理，送入主控系統進行相應處理。
4 無線網絡節點軟件設計
4.1 路由FFD節點軟件模塊設計
路由FFD模塊上電后首先對CC2430進行初始化，然后嘗試加入網絡。如果加入網絡成功，在接收到網絡協調器發出的開始采樣指令后開始采樣數據，并利用CC2430自帶的A/D轉換將模擬信號轉換為數字信號，然后將數據包發送到網絡協調器。其軟件流程如圖5所示。
4.2 網絡協調器節點軟件模塊設計
網絡協調器上電后首先對CC2430進行初始化，然后建立一個無線網絡。當有FFD節點申請加入時，為每一個FFD節點分配地址。當需要進行數據采集時，網絡協調器發出數據采集指令，之后等待接收采樣來的數據，并將數據通過RS232口上傳給上位PC機處理。網絡協調器節點軟件流程如圖6所示。
5 實驗驗證
系統綜合測試基本實現設計功能，血壓傳感器節點采集到的數據通過Zigbee無線傳感網絡發送至監護PC機上，由專業醫療人員對數據進行統計分析，進而提出相應的醫療和護理方案。一次模擬3個病人的血壓測量數據如表1所示，經模擬測試，系統數據采集功能正常，無線網絡信息傳輸功能正常，終端自動入網和跳網功能能夠實現。
本文介紹了一種基于Zigbee無線傳感網絡實現的病房監護系統，分析研究了Zigbee網絡的一般拓樸結構，采用無線龍公司的LC2480無線網絡模塊實現無線終端的設計，研究了傳感器終端的接口電路設計，給出了路由終端和網絡協調器的軟件設計流程圖，最后進行了模擬的網絡測試。系統具有很好的靈活性和可擴展性，通過Internet網絡可以實現遠程醫療監控和醫院間的信息資源共享。
參考文獻
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[2] 郭濤，嚴家明.基于CC2430的Zigbee無線數傳模塊設計[J].微處理機,2010，31(4):105-108.
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[4] 石道生,任毅,羅惠謙.基于Zigbee技術的遠程醫療監護系統設計與實現[J].武漢理工大學學報,2008,30(3):
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[5] 汪豐,趙明光,符志鵬.基于Zigbee技術的無線醫療監護網絡的研究[J].中國醫療設備,2008,23(12):13-16.