(首都医科大学附属北京世纪坛医院，北京 100038)

0 引言

呼叫系统一直是医院和医疗保健中不可或缺的组成部分。目前大部分医院只使用有线呼叫系统。这种有线呼叫系统不但给系统布线带来了较大难度，导致成本较高并且维护不便，而且由于其安装位置多数固定在病床附近的前壁上而限制了病人的自由移动[1]。一些医院也采用基于Wi-Fi的无线寻呼系统，但是这种呼叫系统的无线电波可能会干扰医疗设备的正常功能，并且由于电量消耗较大，患者随声携带的终端设备待机时间较短，使用体验较差。另外，这些呼叫系统都无法实时对患者的生理指标进行检测，导致在发生严重症状(例如昏迷)的情况下，护士不能获得报警信息，从而导致治疗延迟[2-3]。

无线传感器网络(WSN)具有传感、处理和通信的性能，因此已被用于各种军事和民用应用领域[4]。传感器节点部署在监控区域，每个传感器节点可以收集物理信息并将其发送到汇聚节点或中央控制中心[5]。WSN是一个自我组织的、自我管理、自我维护的网络。如果下一跳节点被破坏，传感器节点可以选择其他节点传送信息[6-7]。文献[8]为老年病患者设计了一个基于Android的智能家庭和护士呼叫系统,是一个低成本的解决方案，它使用Android应用软件实时与主机进行通信。文献[9]设计了一种无线传感器和执行器网络(WSAN)系统，用于在室内环境中调用家庭机器人。这一系统在帮助老年人和残疾人保持独立方面发挥着非常重要的作用。文献[10]提出了一种用于传统电话系统的ZigBee位置感知和标签识别技术。每当有来电时，通话都将转接至离该人最近的办公电话。该系统可以提高电话转接服务的整体服务质量。

针对目前国内大部分医院有线呼叫系统难以为行走不便的病人提供及时的医疗呼叫服务的困境，设计了一个基于ZigBee和CC2530的无线传感器网络对应监控系统。ZigBee是一套基于IEEE 802.15.4的高级通信协议规范，具有低功耗、低数据速率和近距离无线自组网络的特征，是实现性价比较高的医院无线呼叫系统较好选择。

1 系统硬件的设计

根据实际应用要求设计了电路的整体结构。在功能模块上可以分为几个部分：信号处理模块(MSP430)、串口通信模块、输入输出模块(LED和键盘)和模拟声光报警模块。射频芯片使用芯旺微(ChipOn)公司的CC2530，信号处理芯片使用德州仪器(TI)公司的 MSP430FG4618。使用自定义键盘和LED作为设备的输入和输出，通信接口采用RS232和JTAG。CC2530和MSP430FG4618均由电池供电。硬件框图如图1所示。

图1 硬件系统框图

CC2530是基于2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee、RF4CE的芯片系统解决方案，其最突出的特点是能够花费很少的材料构建极其可靠的网络节点。CC2530芯片包含射频收发器，增强型8051 CPU系统可编程闪存，8KB RAM和许多其他功能强大的模块[11]。目前，CC2530主要有4个闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别带有32 KB /64 KB 126 KB /256 KB闪存。CC2530有多种工作模式，具有超低功耗的特点。CC2530可以在非常短时间内转换大量模式，这有利于进一步降低系统功耗[12]。信号处理模块是整个系统的核心，呼叫模块的的核心芯片为MSP430FG4618。

系统设置了RS232串口电路，以便进行软件程序的下载和测试，同时为协调器节点和上位主机进行通信提供硬件支持。RS232支持各种不同速率的低速通信。RS232使用负逻辑，即：-5 V～15 V为逻辑“1”，+ 5V至+15 V为逻辑“0”， 噪声容限为2 V。为了将RS232电平与MSP430电平兼容，使用MAX232实现232接口电路，MAX232能够提供基于TTL正电平的RS232通信功能[13]。电路设计如图2所示。

图2 RS232接口电路设计

RS232模块的一组UART引脚和MSP430的一对I/O引脚P3.4和P3.5连接。UART的TX和RX对应串口通信的输入和输出，I/O引脚P3.4和P3.5具有控制功能。同时，2个I/O引脚设置了LED灯以便观察。本设计中的模块和组件只需要DC电源的电压。 MSP430FG4618和MAX3232都需要+ 3.3 V直流电源。ETC的AMS117系列稳压器芯片可以提供1.5 V/1.8 V/2.5 V/2.85 V/3.3 V/5.0 V稳压器的直流电压输出[14-15]，本设计选用AMS117-3.3型号获得+3.3 V电压。

电源电路如图3所示。电源引脚1连接外部电池组。0.1 μF电容和470 μF电解电容并联接地，实现对电源信号去耦滤波功能，提高对系统的供电质量。声光报警模块主要由蜂鸣器和发光二极管组成。键盘部分则被设计为3×4矩阵电路。

图3 电源电路设计

2 软件设计

软件系统由两部分组成，基于ZigBee无线网络和信息中心设计的软件设计。该系统主要采用IAR Embedded Workbench软件开发平台，该开发平台是整合多种开发工具的集成平台，具有代码编辑器、代码下载、程序调试等功能。开发语言采用C/C++，以提高开发效率。

2.1 无线传感器网络中节点的软件设计

ZigBee网络中的节点通信模块基于CC2530的代码库开发。该代码库源自Z-Zack自由协议，由TI(德州仪器)和Chipcon公司共同开发，旨在实现主机和呼叫终端之间的通信提供基础接口。

ZigBee网络适用于星形拓扑、树状拓扑以及网状拓扑。该设计主要采用星型网络拓扑结构，连接简单，节点使用率最低。只有一个协调器可以完成网络的连接。节点传感器网络的设计如图4所示。

图4 网络系统设计

2.2 患者节点的程序

患者节点将在初始化后自动访问网络。传感器节点具有实时测量患者的心率的功能。当涉及到事件时(例如呼叫或异常心率)，系统将通过按下按钮来调用相关功能来处理事件。否则系统将处于休眠状态。因此，该节点的能量消耗非常低。传感器节点由锂电池供电。如果传感器节点的功率很低，则会将告警信息传输到信息中心。

2.3 护士中心节点的程序

通电后，护士中心的节点也将接入网络，并检测事件队列调用相应的功能给出相应的响应。当没有事件发生时，节点将处于低功耗状态。由于节点的功能也是通过按钮实现的，程序与患者终止程序相似，它们之间的唯一区别在于具体应用。

2.4 信息中心软件

信息中心用于监控网络，同时保存节点发送的信息。因此，信息中心软件设计需要结合界面和数据库设计。采用SQL Server数据库以及PHP语言来设计信息中心平台，它具有以下功能：

a.便捷操作。可基于移动节点的不同类别对所采集的信息进行记录、校正和删除等各种操作；具有基于节点的不同状态对信息进行校正和删除等操作的功能。

b.便捷查询。护士可对患者节点进行信息查询和信息采集。

c.用户数据库管理。可对不同节点类别(患者和护士)进行用户个人信息进行填写、修改和删除的操作。

d.呼叫信息。可向终端节点发送寻求帮助信息，也可以取消帮助信息的发送状态。

病房内的节点全部通过星状网络连接，其中一个用作ZigBee路由器，以连接信息中心网络进行数据传输。如图5所示，所有的ZigBee路由器形成一个星形和树形的混合网络，连接到放置在管理中心的中心节点，组成一个完整的ZigBee无线网络。 当患者使用手持终端寻求帮助时，信息将传送到中心，然后护士可以通过中心访问信息立即处理。

图5 星形和树形的混合网络

3 测试结果和分析

测试系统采用图5所示的混合拓扑结构，最大深度为4，最大子节点数为10。系统工作频段为2.4 GHz ISM。为了提高系统的抗干扰性能，使用4、9、14和15信道，其通信频率分别为2.425 GHz、2.450 GHz、2.475 GHz和2.480 GHz。

系统呼叫功能的测试结果如表1所示。表中d表示患者节点与ZigBee路由器的距离，H_T表示患者节点呼叫的次数，N_T表示护士节点接收到患者节点呼叫请求的次数，I_T表示信息中心记录的护士成功受理呼叫的次数。

表1 呼叫功能的测试结果

由表1的数据可知，距离小于26 m，患者节点与路由器的通信可靠性非常高，因此在系统部署时要依据这个数据结合病房的实际面积设置路由节点的安装位置。其次信息中心所记录的数据和护士节点的数据完全一致，表明信息中心的软件系统工作效率能够保证正常使用。

对传感器节点所测量的心跳数据的可靠性进行验证。验证方法是对1 min内人工和传感器同时测量的数据进行对比。该项测试反复进行8次，测试结果如表2所示。

表2 心率测量数据

由表2的数据可知，心率测量每分钟误差做多为3次，最少为1次。这种测量精度完全能够满足呼叫系统对患者生理状态的基本监测要求。

4 结束语

基于ZigBee的无线传感器网络呼叫系统专为医院环境而设计。该系统让病人自由移动，因此它胜过传统的有线呼叫系统。传感器节点可以监控患者的心率，并在需要时自动呼叫护士。相对于Wi-Fi、红外、蓝牙等无线通讯技术，ZigBee技术具有功耗低、抗干扰性能好等优势，因此采用ZigBee技术的无线呼叫终端具有良好的使用可靠性。由于ZigBee是一种组网简单、支持双向通信，可用于为患者节点和护士中心提供可靠和可拓展的通讯信道，便于护士为患者提高及时的医疗服务。实验表明该系统具有较好的通信可靠性和满足要求的监测功能，可为医疗健康监测带来较大便利。