基于ZigBee和红外技术的病房监护系统设计

引言

目前中国国内的医院病房监护系统，基本上还是通过有线方式向监护中心传递数据，需要布线，要进行穿墙或过天花板，工作繁琐，且无法*移动和扩充，不便于维护，特别是在紧急情况下，线缆可能影响及时救治。比如病房里的呼叫系统都是通过有线的方式连接到护士监控中心，呼叫按钮装置在病房的墙上，紧急情况下病人可能无法按动呼叫按钮而引发危险事故。

尤其是人工测量患者体温，不但增加了医护人员的工作量，还影响病房病人的恢复休息，也不便于对病人生命体征信息的统计。所以研制开发低成本、低功耗、高可靠性、易扩展、配置灵活的无线病房监护系统就具有普遍的意义和现实的价值。

1 短距离无线通信基础

为实现无线节点、路由器之间的互通，必须要有相应统一的无线网络通信标准。目前热门的短距离互联技术有：

ZigBee、超宽带（UWB）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（Wi-Fi）、近距离无线传输（NFC）。其中ZigBee 是一种适合于近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接，它依据IEEE802.15.4 标准，在数千个微小的传感器节点之间相互协调实现通信，这些传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传节点到另一个传感器节点，其通信效率很高，相对于现有的各种无线通信技术， ZigBee 技术将是最低功耗和成本的技术， 其出发点就是实现一种易实现的低成本无线网络，为实现无所不在的网络创造了条件。

以测量患者体温和所在病房室内温度为例，提出了一种基于ZigBee 协议的无线传感器网络病房监护系统解决方案，可实时监测患者体温、病房环境温度参数和患者的求助呼叫信号，同时可以对病人实现房间级的定位，监测数据通过无线方式传输到监护中心进行分析。

2 系统整体架构

整个系统由终端节点、路由节点、网关控制器（Gateway）和网络主机服务器（包括WEB 服务器和数据库服务器）组成，其中路由节点是全功能设备（FFD），终端节点是精简功能设备（RFD）。其系统架构如图1 所示。终端、路由、网关组成底层ZigBee 网络，组网方式采用树状网络，路由节点和终端节点之间通过红外技术实现患者房间级定位。终端节点负责采集患者体温数据，传送患者呼叫信号，信息通过路由节点中继到网关。网关为一嵌入式WEB 服务器，其负责连接远程Internet 主机服务器和底层无线传感器网络，承担着底层 802.15.4 协议和高层Internet 协议转换功能，采用TCP/IP 协议将数据实时存入Intranet 网络的数据库服务器。

服务器端采用基于网络的管理平台，医生和值班护士通过PC或PDA 等设备，以WEB 浏览器方式查看实时数据和查询数据库中的历史数据，及时做出诊断。

图1 病房监护系统

4.1 终端节点设计

本系统的ZigBee 模块选用TI ZigBee SoC 芯片CC2430,片上集成高性能8051 内核、ADC、USART 等，兼容ZigBee 规范。这是一个方便用户实现高性价比、高集成度的ZigBee解决方案。

终端节点如图2 所示，CC2430 为终端节点的中心控制模块，控制所有外围设备。传感模块采集患者体温，红外接收模块用来接收路由节点发送的位置识别码（如病房号），终端节点在发送数据时把该位置识别码连同节点的ID 号一同传送出去，以实现房间级定位。由于终端节点采用电池供电，为节省能量，当节点不需要向外发送数据时，关闭红外接收功能。液晶模块选用3 位8 字段式液晶模块，用于显示所测量的患者体温信息。

终端节点亦可当作一个独立的数字温度计使用。按键和LED 模块用于紧急呼叫，病人需要护士的帮助时，按节点上的呼叫按钮即可向护士值班中心发送呼叫信号，呼叫信号连同患者的位置信息和患者所带节点ID 一同传送到护士值班中心。若呼叫信号发送失败，则红色LED 灯闪烁，患者可重新呼叫；若呼叫成功，则节点上红色LED 长亮，直到护士值班室响应请求信号后，红色LED 灯熄灭，绿色LED 灯闪烁，等待护士到来后再次按下呼叫按钮，绿色LED 灯熄灭。

图2 终端节点结构