隨著醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)已經(jīng)成為醫(yī)院提高醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量、提升醫(yī)護(hù)人員工作效率和減少醫(yī)療事故的重要基礎(chǔ)設(shè)施。目前，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的種類很多，多數(shù)采用有線通信方式。由于采用有線線纜方式進(jìn)行布線安裝，病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在著成本高、施工繁瑣、維護(hù)困難、移動性差、重復(fù)利用率低等弊端[1]。同時，由于病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)缺乏對呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理功能，當(dāng)醫(yī)護(hù)人員離開值班室時，就有可能貽誤病人的護(hù)理請求，給病人和醫(yī)院造成不可挽回的損失。鑒于現(xiàn)有病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在的弊端和問題，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，旨在克服有線病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)存在的弊端，解決病房護(hù)理信息實(shí)時交互的技術(shù)問題。
1 ZigBee技術(shù)
    ZigBee是一種低功耗、低成本、低速率和低復(fù)雜度的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議棧主要由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[2]。其中，物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組制定，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。在網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee聯(lián)盟制定了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，ZigBee定義了三種邏輯設(shè)備類型：ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 終端設(shè)備(ZigBee End Device)。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不但可以支持多達(dá)31個傳感器和受控設(shè)備，而且可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量[3]。
2 系統(tǒng)組成和工作原理
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)主要由監(jiān)測中心和ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    監(jiān)測中心主要由計算機(jī)和病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)管理軟件組成，實(shí)現(xiàn)對呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理等功能。利用計算機(jī)上的病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)管理軟件，醫(yī)護(hù)人員可以通過操作界面直觀、清晰地看到護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的地理位置和相關(guān)護(hù)理信息，從而提高醫(yī)療護(hù)理服務(wù)質(zhì)量、提升醫(yī)護(hù)人員工作效率和減少醫(yī)療事故[4]。
    協(xié)調(diào)器是病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)工作信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，建立基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)。當(dāng)醫(yī)院每層樓較寬、病房較多時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以加入路由器節(jié)點(diǎn)。路由器節(jié)點(diǎn)放置在協(xié)調(diào)器和護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)之間，負(fù)責(zé)允許其他護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，支持多跳路由數(shù)據(jù)包的傳輸，從而更大限度地增加護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的數(shù)量、擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。醫(yī)院病房區(qū)散布著大量的護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)，它們是護(hù)理呼叫信息的發(fā)送裝置，上電后自動掃描設(shè)定的工作信道，嘗試找到一個已經(jīng)存在的病房護(hù)理呼叫網(wǎng)絡(luò)并加入其中。護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)病人生理參數(shù)的定時采集和護(hù)理請求的實(shí)時采集，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳給協(xié)調(diào)器，為醫(yī)療護(hù)理人員實(shí)施護(hù)理服務(wù)提供依據(jù)[5]。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1 護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)設(shè)計
    護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)是病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的基本單元，負(fù)責(zé)采集病人的生理數(shù)據(jù)和護(hù)理請求，并把最終數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[6]。護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計，主要包括：
    (1)微處理器模塊：負(fù)責(zé)控制整個護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)，采用Chipcon公司的CC2430，滿足ZigBee在2.4 GHz 工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)(ISM)波段對低成本、低功耗的要求。
    (2)傳感器模塊：負(fù)責(zé)病人生理數(shù)據(jù)(體溫、脈搏、呼吸和血壓等)的定時采集。其中，壓力傳感器MPVX5050GP采集的脈沖分兩路接入CC2430進(jìn)行分析處理，一路直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到靜壓信號數(shù)據(jù)；另一路通過帶通濾波放大電路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到放大的脈搏波信號數(shù)據(jù)。傳感器模塊硬件電路如圖2所示。
    (3)按鍵模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時檢測按鍵值，傳遞病人的護(hù)理請求信號，其硬件電路如圖3所示。按鍵模塊直接掛到CC2430的I/O口上，按鍵值通過電阻和分壓判斷。采用ADC讀取電平方式，不但具有很快的響應(yīng)速度，而且可以節(jié)省I/O口。

    (4) 無線通信模塊：負(fù)責(zé)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的無線通信、交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)。天線采用單極子諧振天線，長度為電子波長的四分之一（λ/4）。天線不但易于設(shè)計和實(shí)現(xiàn)，而且方便整合到PCB板中。
    (5)能量供應(yīng)模塊：為護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量。考慮到護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的便攜性，采用3節(jié)5號干電池供電，通過低壓差穩(wěn)壓芯片AMS1117_3.3為CC2430提供直流3.3 V工作電壓[7]。由于ZigBee的功耗極低，在低耗電待機(jī)模式下，3節(jié)普通5號干電池至少可使用6個月，從而免去了病人頻繁更換電池的麻煩。
3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器集成了網(wǎng)關(guān)和協(xié)調(diào)器的雙重功能。一方面通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)通信；另一方面通過RS232接口與監(jiān)測中心的PC機(jī)連接，執(zhí)行PC機(jī)的命令并做出相應(yīng)的響應(yīng)。
    ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要由處理器模塊、串行接口模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊等組成[8]，其組成如圖4所示。其中，微處理器采用Chipcon公司的CC2430，RS232電平轉(zhuǎn)換芯片采用SP3232EEA，實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換。

4 軟件設(shè)計
4.1 系統(tǒng)管理軟件設(shè)計
    在Power Buider 11.5環(huán)境下開發(fā)的系統(tǒng)管理軟件，利用Access2003數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了病房護(hù)理呼叫信息的存儲、統(tǒng)計和管理。系統(tǒng)管理軟件接收和處理通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送的合法信息，并且在數(shù)據(jù)庫中按照預(yù)先定義好的表的形式對病房護(hù)理呼叫信息進(jìn)行組織管理。醫(yī)護(hù)人員可以通過系統(tǒng)管理軟件界面查詢患者的病房號、床位號以及護(hù)理等級等信息，同時可以查詢護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采集的護(hù)理請求和生理參數(shù)等信息，并且能夠設(shè)置生理數(shù)據(jù)的報警閾值[9]。系統(tǒng)管理軟件組成如圖5所示。

4.2 病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)軟件設(shè)計
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)的軟件主要由μC/OS-II操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用控制程序組成[10]。μC/OS-II內(nèi)核提供了簡單高效的任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)間通信同步和內(nèi)存管理等功能。μC/OS-II可以使各個任務(wù)獨(dú)立執(zhí)行，互不干涉，很容易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時而且無誤執(zhí)行，使實(shí)時應(yīng)用程序的設(shè)計和擴(kuò)展變得容易，使應(yīng)用程序的設(shè)計過程大為簡化。ZigBee協(xié)議棧采用完全符合ZigBee 2006規(guī)范的TI Z-Stack，具有層次分明、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。應(yīng)用控制程序負(fù)責(zé)執(zhí)行控制命令等功能。總體程序流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
5.1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置
    ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大深度（Lm）為5，每個父節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)（Rm）為17。系統(tǒng)工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，有16個速率為250 Kb/s的信道可供選擇[11]。為了避免WiFi對系統(tǒng)的干擾，可以使用4（2.425 GHz）、9（2.450 GHz）、14(2.475 GHz)、15（2.480 GHz）信道。
5.2 呼叫請求測試
    為了模擬真實(shí)的病房呼叫請求，通過隨機(jī)按下護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的按鍵來測試系統(tǒng)的可靠性。測試結(jié)果如表1所示。其中，d表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的距離，T表示護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請求次數(shù)，R表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器成功接收護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請求的次數(shù)。

    分析測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)d≤25 m時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以準(zhǔn)確地接收護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)的呼叫請求，基本滿足病房護(hù)理的要求。
5.3 血壓采集測試
    為了驗(yàn)證護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)采集的血壓數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，采用反復(fù)對比和多次重復(fù)的方法進(jìn)行測試。在同一時期對同一測試者分別使用護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)和水銀血壓計進(jìn)行血壓測量，采集的血壓數(shù)據(jù)如表2所示。

    通過分析測試數(shù)據(jù)可知，護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)與水銀血壓計的血壓測量結(jié)果基本一致。收縮壓誤差范圍≤4 mmHg，舒張壓誤差范圍≤4 mmHg。因此，護(hù)理呼叫節(jié)點(diǎn)測量的血壓數(shù)據(jù)可以作為臨床診斷的依據(jù)。
    病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心，充分利用了ZigBee技術(shù)低功耗、自組網(wǎng)和動態(tài)路由的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了病人生理參數(shù)的定時采集和護(hù)理請求的實(shí)時采集，滿足了醫(yī)院病房護(hù)理工作的現(xiàn)實(shí)需求。通過實(shí)際測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有較高的市場價值。
參考文獻(xiàn)
[1] 石建國，馬云輝.支持移動響應(yīng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)無線呼叫系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2010(8).
[2] 雷震洲.支持M2M應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及發(fā)展[J].電信科學(xué)，2004(11).
[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007：20-23.
[4] 尹娟.基于ZigBee協(xié)議的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2010(11).
[5] 董大鵬，唐曉英，劉偉峰，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，33(10).
[6] 馬小鐵，李凱.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在人體參數(shù)采集中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2010，26(10).
[7] 郁麗，郭勇，賴武剛，等.生命狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)視及定位系統(tǒng)的研究[J].電信科學(xué)，2010(3).
[8] 寧炳武，劉軍民.基于CC2430的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2008，33(3).
[9] 周翔，丁珠玉，周勝靈，等.嵌入式ZigBee遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].西南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011(3).
[10] 朱向軍，應(yīng)亞萍，應(yīng)紹棟，等.基于ZigBee和WLAN的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[J].電信科學(xué)，2009(6).
[11] 張利鋒.基于ZigBee的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].金陵科技學(xué)院學(xué)報，2011(1)：5-8.