許躍武 皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院 （安徽 蕪湖 241001）

基于ZigBee的無線監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

許躍武 皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院 （安徽 蕪湖 241001）

介紹了一種基于ZigBee的嵌入式遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)過對ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)和通訊算法的研究，以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了無線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了通訊節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)可行方案并設(shè)計(jì)了監(jiān)護(hù)軟件工作流程。與傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)相比，基于ZigBee的無線監(jiān)護(hù)系統(tǒng)改善了監(jiān)護(hù)環(huán)境并提高了醫(yī)院的信息管理水平和工作效率，具有更好的擴(kuò)展性和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

遠(yuǎn)程醫(yī)療 無線通信 監(jiān)護(hù)系統(tǒng) ZigBee

傳統(tǒng)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)大多建立在有線網(wǎng)絡(luò)通訊的基礎(chǔ)上，而醫(yī)療設(shè)備一般體積和功耗較大，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)只能在設(shè)備主機(jī)或配套工作站讀取，不僅限制了被監(jiān)護(hù)者的活動(dòng)范圍，也影響了醫(yī)護(hù)人員在緊急狀況下的處理，導(dǎo)致貽誤最佳診療時(shí)機(jī)。醫(yī)用傳感器和監(jiān)護(hù)儀器一般是一對一的數(shù)據(jù)傳輸方式，這種數(shù)據(jù)傳輸存在以下缺點(diǎn)：被檢測者活動(dòng)范圍固定且不便移動(dòng)；沒有多個(gè)同類傳感器的集中數(shù)據(jù)管理；監(jiān)護(hù)系統(tǒng)缺乏擴(kuò)展性；監(jiān)護(hù)主機(jī)和工作站重復(fù)投入等。

近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)傳感器的小型化、無線通信網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展普及，現(xiàn)了多種近距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其中低復(fù)雜度、自組織易擴(kuò)展、抗毀性強(qiáng)、傳輸距離范圍大的ZigBee技術(shù)脫穎而出，成為爭相研究的焦點(diǎn)[1,2]。利用ZigBee無線多通道數(shù)據(jù)傳輸方式傳遞醫(yī)療傳感器與監(jiān)護(hù)控制儀器之間的信息，減少監(jiān)護(hù)設(shè)備與醫(yī)療傳感器之間的有線通信線纜，使被監(jiān)護(hù)人能夠擁有較大的活動(dòng)范圍。同時(shí)，在建立覆蓋醫(yī)院的ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠極大地方便患者就診，提高醫(yī)院的信息管理水平和工作效率，同時(shí)集中管理的監(jiān)測數(shù)據(jù)便于數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、統(tǒng)計(jì)和分析。

1.ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)（FFD/RFD）都分配有一個(gè)16位的短地址和一個(gè)64位的擴(kuò)展地址。其中16位地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)自動(dòng)獲得，由其父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配用于路由機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸，類似于以太網(wǎng)中的IP地址；64位擴(kuò)展地址則是每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)，這個(gè)出廠時(shí)固化的64位地址編號(hào)類似于以太網(wǎng)中的MAC地址。通信時(shí)需要設(shè)置目標(biāo)地址，如果是廣播方式，目標(biāo)地址應(yīng)設(shè)成0x0000FFFF，如果目標(biāo)地是協(xié)調(diào)器，目標(biāo)地址應(yīng)設(shè)成0x00000000。當(dāng)一個(gè)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先使用其自身的64位地址進(jìn)行通信，成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)為該設(shè)備分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，這樣新入網(wǎng)設(shè)備便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備進(jìn)行通信。

2.節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，至少包括以下幾個(gè)部分：電源模塊，帶有所需外部元件的ZigBee射頻模塊，天線，帶有串行同步接口（SPI，Serial Peripheral Interface）的微處理器以及受微處理器控制的附加模塊例如數(shù)據(jù)采集模塊。ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖1所示。

MCU通過SPI總線和一些離散控制信號(hào)與RF模塊相連，MCU作為SPI主器件，RF模塊作為從器件。其中MCU負(fù)責(zé)控制所在節(jié)點(diǎn)的各種處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等，最主要的是實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4 MAC層和ZigBee協(xié)議層；RF模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)，為IEEE802.15.4的數(shù)據(jù)幀格式提供硬件支持；MCU通過接口與各種附加模塊相連，如協(xié)調(diào)器中與上位機(jī)通訊的RS232接口轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)模塊、終端監(jiān)護(hù)設(shè)備中用于測量血氧、脈搏、血壓和血糖等各種醫(yī)療傳感器模塊以及A/D轉(zhuǎn)化器、鍵盤、信號(hào)指示燈等模塊。

供電模塊可以根據(jù)系統(tǒng)中使用需求選擇電池或AC-DC電源。終端節(jié)點(diǎn)不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以休眠，在休眠喚醒后根據(jù)其存儲(chǔ)區(qū)中保存的關(guān)系列表查找父節(jié)點(diǎn)，除非因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化等找不到父節(jié)點(diǎn)的情況下才會(huì)重新搜索加入網(wǎng)絡(luò)，因此工作間隙時(shí)間長功耗低，適合采用電池供電；協(xié)調(diào)器和協(xié)調(diào)器附近的路由器作為無線網(wǎng)絡(luò)中通訊頻繁的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，不可休眠，可根據(jù)情況選用DC電源供電，以避免關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)能量消耗過快導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。天線可由PCB上的引線形成或選用單極天線。

ZigBee節(jié)點(diǎn)中的射頻模塊可以選用完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee規(guī)范的Helicomm的IP_ Link1270、Freescale的 MC13191/13192/13193、Microchip Technology的MRF24J40、Texas Instruments的CC2420/2430等。微處理器可以選用Freescale公司的MC9S08GT60、Motorola的GT16/32/60、Atmel的ATmega 128RFA1等。此外，不少廠商也推出了Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案，提供Z-stack等開發(fā)工具和源代碼。

3.監(jiān)護(hù)管理軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)護(hù)軟件是為醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)的專用軟件，并與醫(yī)院的信息系統(tǒng)HIS通過軟件接口相連接。監(jiān)護(hù)軟件可運(yùn)行在醫(yī)院集中監(jiān)護(hù)中心、各病區(qū)監(jiān)護(hù)站、協(xié)作關(guān)系的地方醫(yī)院和小區(qū)醫(yī)療所監(jiān)護(hù)站，軟件流程框圖如圖2所示。

圖2. 監(jiān)護(hù)軟件流程框圖

程序運(yùn)行時(shí)在指定的端口進(jìn)行監(jiān)聽，對監(jiān)護(hù)列表內(nèi)某個(gè)監(jiān)測儀器發(fā)出連接請求時(shí)，按醫(yī)護(hù)人員設(shè)置自動(dòng)選擇是否同意建立連接；或者由醫(yī)護(hù)人員對監(jiān)護(hù)列表內(nèi)某個(gè)監(jiān)測儀器發(fā)起連接要求，監(jiān)測儀器回復(fù)響應(yīng)后建立連接。其連接建立后，醫(yī)護(hù)人員所在監(jiān)護(hù)端和患者所在儀器端開始通訊，通過與受監(jiān)護(hù)者一一對應(yīng)的儀器ID得到患者身份信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)在監(jiān)護(hù)端分類實(shí)時(shí)顯示數(shù)值、圖像、波形等，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，對異常數(shù)據(jù)報(bào)警，醫(yī)護(hù)人員可對動(dòng)態(tài)的圖像波形進(jìn)行截取并保存在本地。通過與HIS相連，醫(yī)護(hù)人員可以隨時(shí)查閱患者的病歷資料等各種相關(guān)信息，以便快速準(zhǔn)確做出判斷。同時(shí)，接收的監(jiān)測數(shù)據(jù)在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)服務(wù)器上存檔形成完整的患者監(jiān)護(hù)資料。為了便于監(jiān)護(hù)中心和各監(jiān)護(hù)站之間的溝通，軟件應(yīng)具有電子白板功能，對醫(yī)護(hù)人員截取標(biāo)注的有醫(yī)療價(jià)值的數(shù)值、圖像等在不同的監(jiān)護(hù)點(diǎn)之間方便的傳輸共享，這樣就極大提高了監(jiān)護(hù)水平和效率。

當(dāng)協(xié)作關(guān)系的地方醫(yī)院和小區(qū)醫(yī)療所監(jiān)護(hù)站發(fā)起遠(yuǎn)程協(xié)助請求時(shí)，通過Internet網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)護(hù)中心軟件與其建立連接，并將歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、診斷記錄、患者信息等傳送到監(jiān)護(hù)中心，同時(shí)，實(shí)時(shí)的監(jiān)測數(shù)據(jù)在兩地的監(jiān)護(hù)點(diǎn)上顯示，監(jiān)護(hù)中心為其提供高水平的監(jiān)護(hù)指導(dǎo)和監(jiān)測報(bào)告，使患者得到更好的監(jiān)護(hù)，也提高了地方醫(yī)療機(jī)構(gòu)的監(jiān)護(hù)水平。

4.結(jié)論

通過對ZigBee這種低成本、低功耗、易維護(hù)、易擴(kuò)展的無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的研究，規(guī)劃了滿足醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸需要的網(wǎng)絡(luò)通訊方案，經(jīng)過對IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議的研究，設(shè)計(jì)了一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)模塊，特別對應(yīng)用廣泛的射頻CC系列芯片進(jìn)行了研究，提出了硬件架構(gòu)可行方案，最后簡要設(shè)計(jì)了監(jiān)護(hù)軟件的初步流程。

在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還可以考慮將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和院內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，以及基于射頻通訊對院外社區(qū)、家庭用戶、急救車等被監(jiān)測對象的通信方案，覆蓋完整并兼顧院外的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是值得進(jìn)一步研究的課題。

[1] 王玲玲, 盧云, 徐民, 等. 遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備, 2013,28(8):115-117.

[2] 彭勝華, 余曉鍔, 賴勝圣. 基于GPS和GPRS遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國組織工程研究, 2012,16(13):2328-2331.

Research on Wireless Monitoring Network System Design Based on ZigBee

XU Yue-wu Wannan Medical College Yijishan Hospital (Anhui Wuhu 241001)

1006-6586(2017)11-0040-02

TN923

A

2017-04-28