基于ZigBee的醫院監控系統設計

摘要：為了實現對醫院監控系統的無線網絡通訊，提出了基于ZigBee技術的醫院監控系統。其利用了ZigBee技術低功耗，低成本，時延短，可使用免費特定頻段，高保密的特點，通過硬件設計和軟件仿真，驗證了該無線網絡通訊系統具有優秀的無線通訊效果及可操作性，且該系統相對基于其他無線通訊技術的網絡，將有更大網絡容量，可管理更多終端節點，這擴大了醫院監控范圍，可大大提高醫院的醫療管理效率。

傳統醫院監控系統采用有線網絡監視，通過RS-485或其他有線方式連接到主機上。這樣的監控系統必須在醫院病房及走廊上進行線路布置，且監控節點需固定在某個位置上，不能帶出病房，在系統出現故障時維護困難。

如今醫院監控系統正利用無線通訊方式的及時性和移動性，結合醫療管理系統建立無線監控系統，使對病房的監控(包括病人體溫監控及病人的呼叫監控)處于計算機網絡系統管理之下，從而及時應答病人請求。

目前主要流行的無線通訊技術包含了IrDA紅外線技術，藍牙技術和ZigBee技術等。IrDA紅外線技術屬于半雙工通訊方式，使用上不便且失誤率較高。而藍牙技術成本較高，網絡容量有限，不適于網絡節點數較多的醫院監控系統。而ZigBee作為新型無線組網技術，組網簡單，低功耗，低成本，很適合用來實現小范圍的無線傳感器網絡，另外，還可以通過增加網絡節點數來解決ZigBee網絡遠距離通訊的問題。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是當今流行的短距離，低速率的無線網絡技術，是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術。它基于IEEE802.15.4，是IEEE無線個人區域網(PAN)工作組的一項標準。

ZigBee依托于一個個獨立工作節點，利用無線通信技術，通過自組織的方式組成星型，樹型及網狀網絡結構。考慮降低系統成本，IEEE 802.15.4定義了兩種物理設備類型：全功能設備FFD和精簡功能設備RFD。FFD節點具有控制器的功能，以提供數據交換，可以作為網絡協調器，路由節點和終端節點使用，可以和網絡中任何類型的設備通信;RFD智能作為終端節點使用。

ZigBee的特點及優點如下：

1)低功耗：兩節五號電池可供網絡使用六個月至兩年左右的時間，這是其突出優勢，相比之下，藍牙可以工作數周，而wifi工作數小時。

2)可靠。采用碰撞避免機制;節點模塊間具有自動動態組網功能，信息在整個網絡中通過自動路由方式進行傳輸，從而有效保證了信息傳輸的可靠性。

3)成本低：通過大幅簡化協議降低成本，ZigBee協議專利免費。

4)時延短：針對時延敏感應用做了優化，使其響應速度較快，通信時延只需30 ms，從休眠狀態激活的時延只需15 ms，這也在一定程度上節省了電能。

5)網絡容量大：ZigBee的三種網絡(星型，樹型，網狀)由一個主節點來管理若干個子節點，而一個主節點最多管理254個子節點。與此同時，主節點還可以由上一層網絡節點管理，因此最多可支持達65000個節點。

6)高保密性：ZigBee采用了64位出廠編號并且應用高級加密標準(AES-128)以靈活確定其安全屬性。

7)免執照頻段：采用全球統一的工業科學醫療2.4 Hz頻段。

2 基于ZigBee技術無線醫院監控網絡組建

2.1 醫院監控網絡拓撲結構的選擇

ZigBee支持包辦有主從設備的星型，樹型，網狀拓撲結構。星型拓撲網絡結構中有一個中央協調器)和若干個從設備(終端節點)，所有的終端節點智能與協調器進行通信，適應于小范圍網絡系統使用。樹型拓撲網絡結構也是由一個中央控制器(網絡協調器)和若干終端節點組成，在控制器與終端節點間由由路由器連接眾多星型網絡，可以說是利用路由器的星型網絡結構的擴充，適合分布范圍較大的應用場合。網狀拓撲結構中任何設備都可以與它所涵蓋的無線通信范圍內的其他設備進行通信，結構較為復雜。而針對醫院病房比較集中，且范圍有限的特點，根據ZigBee標準說明，室內環境一般可以達到30多米的覆蓋范圍，所以對于一般醫院病房區足夠，星型拓撲結構較為合適，又其具有簡潔和低功耗特點，所以醫院無線監控網絡系統采用星型無線網絡系統。

2.2 醫院無線監控網絡的組建

醫院無線監控網絡系統設置一個網絡協調器(FFD)與若干個終端節點(RFD)節點，網絡協調器設置在醫院監控室中，負責建立和管理網絡，并顯示當前網絡狀況以及將接受信息發送至計算機中。終端節點(RFD)分布在各個病房內，負責采集病房溫度及設置在病房內的呼叫按鍵值，并周期性地將采集的信息發送給網絡協調器。系統圖如圖1所示。

3 系統硬件及基本電路設計

3.1 網絡協調器(FFD)的組成

此醫院無線監控網絡系統網絡協調器(FFD)由CC2430，串口部分，按鍵以及液晶組成，用來顯示當前病房的狀態。結構圖如圖2所示。

CC2430是由Chipcon公司生產的系統芯片，其延用了CC2420芯片結構，在單個芯片上面包含了ZigBee射頻(RF)前端，內存以及微控制器。它使用一個8位的MCU(8051)，具有128KB的可編程閃存和8KB的RAM，還包含了數模轉換器，4個定時器，AES-128安全協處理器，看門狗定時器(Watchdog Timer)，32 kHz晶振休眠模式定時器，上點復位電路，掉電檢測電路，和21個可編程I/O引腳。該網絡中CC2430的I/O口直接控制液晶，用來顯示當前溫度或者病人是否有幫助需求。這里采用了ADC采樣掃描鍵盤，可節省I/O口數量。其中SIP3223芯片即FAN3223芯片，SIP封裝，是一塊雙路4 A高速，低側柵極驅動器。

3.2 終端節點(RFD)的構建

ZigBee節點由微控制器模塊，存儲器，無線收發模塊，電源模塊，傳感器模塊及其他外設組成。終端節點(RFD)設置在每個病床旁，與病人的手持終端相連，該節點可以檢測自己所處環境溫度，并且可以掃描按鍵值，然后將檢測到的溫度值以及按鍵狀態發送至主機。其中增加的串口擴展接口可通過外接RS-232(異步傳輸標準接口)模塊將數據傳至計算機。原理框圖如圖3所示。