ZigBee在病房护理呼叫系统中的应用研究

摘  要： 提出了一种基于ZigBee的无线传感器网络在病房护理呼叫系统中的应用方案，实现了病人生理参数的定时采集和护理请求的实时采集，克服了有线病房护理呼叫系统存在的弊端。通过实际测试，系统工作稳定可靠，具有较高的市场价值。
关键词： ZigBee；CC2430；病房呼叫；生理参数
       随着医疗卫生行业信息化进程的不断推进，病房护理呼叫系统已经成为医院提高医疗护理服务质量、提升医护人员工作效率和减少医疗事故的重要基础设施。目前，病房护理呼叫系统的种类很多，多数采用有线通信方式。由于采用有线线缆方式进行布线安装，病房护理呼叫系统存在着成本高、施工繁琐、维护困难、移动性差、重复利用率低等弊端[1]。同时，由于病房护理呼叫系统缺乏对呼叫信息的存储、统计和管理功能，当医护人员离开值班室时，就有可能贻误病人的护理请求，给病人和医院造成不可挽回的损失。鉴于现有病房护理呼叫系统存在的弊端和问题，本文提出了一种基于ZigBee的无线传感器网络在病房护理呼叫系统中的应用方案，旨在克服有线病房护理呼叫系统存在的弊端，解决病房护理信息实时交互的技术问题。
1 ZigBee技术
     ZigBee是一种低功耗、低成本、低速率和低复杂度的双向无线通信技术。ZigBee协议栈主要由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成[2]。其中，物理层和数据链路层标准由IEEE无线个人区域网(PAN)工作组制定，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。在网络层，ZigBee联盟制定了星型、树型和网状网三种网络拓扑结构。根据设备在网络中的角色，ZigBee定义了三种逻辑设备类型：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 终端设备(ZigBee End Device)。每个ZigBee网络节点不但可以支持多达个传感器和受控设备，而且可以采集和传输数字量和模拟量[3]。
2 系统组成和工作原理
     病房护理呼叫系统主要由监测中心和ZigBee无线传感器网络两部分组成，其系统结构如图1所示。
   
       监测中心主要由计算机和病房护理呼叫系统管理软件组成，实现对呼叫信息的存储、统计和管理等功能。利用计算机上的病房护理呼叫系统管理软件，医护人员可以通过操作界面直观、清晰地看到护理呼叫节点的地理位置和相关护理信息，从而提高医疗护理服务质量、提升医护人员工作效率和减少医疗事故[4]。
     协调器是病房护理呼叫系统的核心设备，负责选择系统工作信道和网络标识符，建立基于ZigBee无线传感器网络的病房护理呼叫系统。当医院每层楼较宽、病房较多时，ZigBee网络中可以加入路由器节点。路由器节点放置在协调器和护理呼叫节点之间，负责允许其他护理呼叫节点加入网络，支持多跳路由数据包的传输，从而更大限度地增加护理呼叫节点的数量、扩大网络覆盖范围。医院病房区散布着大量的护理呼叫节点，它们是护理呼叫信息的发送装置，上电后自动扫描设定的工作信道，尝试找到一个已经存在的病房护理呼叫网络并加入其中。护理呼叫节点主要负责病人生理参数的定时采集和护理请求的实时采集，然后通过ZigBee网络上传给协调器，为医疗护理人员实施护理服务提供依据[5]。
3 系统硬件设计
3.1 护理呼叫节点设计
     护理呼叫节点是病房护理呼叫系统的基本单元，负责采集病人的生理数据和护理请求，并把最终数据传输到ZigBee网络协调器[6]。护理呼叫节点采用模块化设计，主要包括：
     (1)微处理器模块：负责控制整个护理呼叫节点，采用Chipcon公司的CC2430，满足ZigBee在2.4 GHz 工业科学医学(ISM)波段对低成本、低功耗的要求。
     (2)传感器模块：负责病人生理数据(体温、脉搏、呼吸和血压等)的定时采集。其中，压力传感器MPVX5050GP采集的脉冲分两路接入CC2430进行分析处理，一路直接进行A/D转换，得到静压信号数据；另一路通过带通滤波放大电路进行A/D转换，得到放大的脉搏波信号数据。传感器模块硬件电路如图2所示。
     (3)按键模块：负责实时检测按键值，传递病人的护理请求信号，其硬件电路如图3所示。按键模块直接挂到CC2430的I/O口上，按键值通过电阻和分压判断。采用ADC读取电平方式，不但具有很快的响应速度，而且可以节省I/O口。