我國醫(yī)療資源緊缺， 開發(fā)醫(yī)院局域型的智能化監(jiān)護網(wǎng)絡可以減少醫(yī)護人員的工作負擔,， 提高醫(yī)護人員工作效率和服務質量,。傳統(tǒng)的解決方案是采用有線或簡單的無線數(shù)據(jù)收發(fā)方式， 被監(jiān)護者身上安裝的傳感器設備不能自由靈活地移動和接入網(wǎng)絡,， 系統(tǒng)沒有可擴展性,。采用Zigbee 技術為傳感器信號的無線傳輸提供了新的解決方案，Zigbee 節(jié)點可以覆蓋幾十米的范圍， 而且可以自由地增加路由節(jié)點,， 擴展覆蓋范圍,， 非常適用于局域型醫(yī)院住院護理。由于生理監(jiān)護的數(shù)據(jù)傳輸量不大,，Zigbee 的250 kb/s 的傳輸速率能夠滿足生理數(shù)據(jù)的傳輸要求,。Zigbee 傳感節(jié)點可以自由地接入和退出網(wǎng)絡， 具有低功耗和低成本的特點,， 因而Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡在局域型的醫(yī)護監(jiān)控系統(tǒng)中有著良好的應用前景,。
1 基于Zigbee 的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)架構
1.1 Zigbee 網(wǎng)絡拓樸結構
Zigbee 是一種近距離無線網(wǎng)絡連接，該技術的主要特點是低速,、低功耗和低成本,， 支持大量的網(wǎng)絡節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡拓樸,。它工作于2.4 GHz （ 全球） ,、868 MHz（ 歐洲） 及915 MHz（ 美國） 的ISM 頻段， 遵循IEEE802.15.4技術標準,。在Zigbee 網(wǎng)絡中,， 有三種主要的網(wǎng)絡拓樸， 分別是星狀,、樹狀和網(wǎng)狀,， 如圖1 所示。
Zigbee 網(wǎng)絡拓樸結構
根據(jù)功能不同,， 無線網(wǎng)絡節(jié)點包括協(xié)調者節(jié)點（Coordinator） ,、路由器節(jié)點（Router） 和終端節(jié)點（End Device） ，在圖1 中以不同的形狀表示,， 每個Zigbee 節(jié)點都由具有無線收發(fā)功能的無線單片機CC2430組成,， 在無線單片機內部安裝有Zigbee 無線網(wǎng)絡軟件協(xié)議棧。在Zigbee 網(wǎng)絡組織結構中,， 每個個人區(qū)域網(wǎng)必須有一個唯一的協(xié)調者節(jié)點,， 該節(jié)點承擔網(wǎng)絡時序管理、網(wǎng)絡協(xié)調,、存儲網(wǎng)絡地圖,、允許其他設備加入網(wǎng)絡、網(wǎng)絡組織,、路由信息等,，是一個全功能節(jié)點， 任何時刻都必需打開無線收發(fā)功能,， 在Zigbee 網(wǎng)絡中有著非常重要的作用,。
1.2 病房監(jiān)護網(wǎng)絡體系結構
基于Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡的病房監(jiān)護系統(tǒng) 主要由各病房內部具有相應數(shù)據(jù)采集功能的Zigbee 無線傳感器節(jié)點,、以病房為單位的若干個具有路由功能的無線節(jié)點和院內Zigbee 中心網(wǎng)絡協(xié)調器組成。網(wǎng)絡協(xié)調器連接Zigbee 無線網(wǎng)絡與以太網(wǎng),， 是整個醫(yī)院無線網(wǎng)絡的核心部分,， 負責無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點和設備節(jié)點的管理，系統(tǒng)結構如圖2 所示,。圖中ZR 為具有路由功能的FFD節(jié)點,，ZE 為無線傳感器終端節(jié)點。無線傳感器節(jié)點可以通過各路由節(jié)點向無線網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù),， 由于被監(jiān)護者在病房或醫(yī)院內自由活動， 所以其攜帶的傳感器節(jié)點的路由是動態(tài)變化的,， 無線傳感器終端節(jié)點與路由節(jié)點形成的是一個自動跳變的多跳網(wǎng)絡,。由于無線傳感器終端節(jié)點的室內通信距離為幾十米， 路由節(jié)點可根據(jù)病房的分布進行布置,， 以能夠最大程度地覆蓋活動區(qū)域,。因而該系統(tǒng)具有很大的靈活性及擴展性， 同時,， 該系統(tǒng)可以方便地接入Internet 網(wǎng)絡,， 形成更大的醫(yī)院間醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡， 以實現(xiàn)醫(yī)療資源共享,。
2 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計
4.2 網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點軟件模塊設計
網(wǎng)絡協(xié)調器上電后首先對CC2430 進行初始化,， 然后建立一個無線網(wǎng)絡。當有FFD 節(jié)點申請加入時,， 為每一個FFD 節(jié)點分配地址,。當需要進行數(shù)據(jù)采集時， 網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)出數(shù)據(jù)采集指令,， 之后等待接收采樣來的數(shù)據(jù),， 并將數(shù)據(jù)通過RS232 口上傳給上位PC 機處理。網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點軟件流程如圖6 所示,。
5 實驗驗證
系統(tǒng)綜合測試基本實現(xiàn)設計功能,， 血壓傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)護PC機上， 由專業(yè)醫(yī)療人員對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,， 進而提出相應的醫(yī)療和護理方案,。一次模擬3 個病人的血壓測量數(shù)據(jù)如表1 所示， 經(jīng)模擬測試,， 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能正常,，無線網(wǎng)絡信息傳輸功能正常， 終端自動入網(wǎng)和跳網(wǎng)功能能夠實現(xiàn),。
本文介紹了一種基于Zigbee 無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)的病房監(jiān)護系統(tǒng),， 分析研究了Zigbee 網(wǎng)絡的一般拓樸結構,， 采用無線龍公司的LC2480 無線網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)無線終端的設計， 研究了傳感器終端的接口電路設計,， 給出了路由終端和網(wǎng)絡協(xié)調器的軟件設計流程圖,， 最后進行了模擬的網(wǎng)絡測試。系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴展性,， 通過Internet 網(wǎng)絡可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)控和醫(yī)院間的信息資源共享,。
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計可以采用一個無線收發(fā)芯片和一個微控制器組成， 隨著技術的發(fā)展,， 越來越多的公司將無線收發(fā)芯片和微控制器做成了一個片上系統(tǒng),， 設計中采用TI 公司的CC2430 。CC2430 芯片是一種采用8051 內核的Zigbee 無線單片機,， 它包括一個高性能的2.4 GHz DSSS （ 直接序列擴頻） 射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級小巧高效的8051 控制器,。芯片上集成了Zigbee 射頻前端、內存和微控制器,，具有32/64/128 KB 可編程Flash 和8 KB 的RAM,， 還包含模/數(shù)轉換器（ADC） 、幾個定時器（Timer ） ,、AES-128 安全協(xié)處理器,、看門狗定時器（Watchdog Timer ） 、32 kHz 晶振的休眠模式定時器,、上電復位電路,、掉電檢測電路和21 個可編程I/O 腳。整個網(wǎng)絡處理器模塊設計采用無線龍公司的LC2480 網(wǎng)絡處理模塊,，LC2480 網(wǎng)絡處理模塊采用了標準Zigbee 的CC2430 芯片,， 內置了無線龍公司開發(fā)的兼容軟件，LC2480 網(wǎng)絡處理模塊原理示意圖如圖3 所示,。
3 傳感器終端節(jié)點電路設計
傳感器終端節(jié)點主要完成各種生理數(shù)據(jù)信息的采集,， 如體溫、血壓和心電信號等,。由于特殊環(huán)境的要求,，設計中要求具有體積小、功耗低和抗干擾能力強等特點,。在無線網(wǎng)絡節(jié)點設計時,， 為了便于功能擴展， 預留了足夠的傳感器接口,， 如果在實際使用中需要功能擴展,，只要接入相應的數(shù)據(jù)采集傳感器， 開發(fā)相應的嵌入式控制軟件,， 就可以直接加入無線傳感網(wǎng)絡,， 并進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸,。圖4 給出了一種血壓傳感器接口電路的設計方案框圖， 根據(jù)血壓信號阻抗大,、信號弱和不穩(wěn)定的特性,， 要求血壓傳感器接口電路具有高增益、高輸入阻抗和高共模抑制比的特點,。
由傳感器采樣袖帶內變化的壓力信號,， 從中分離出脈搏信號， 找到收縮壓和舒張壓對應的位置,， 從而得到數(shù)據(jù),。將來自傳感器的信號放大， 經(jīng)低通濾波和帶通濾波后得到壓力信號,， 再經(jīng)主放大器放大和信號調理,， 送入主控系統(tǒng)進行相應處理。
4 無線網(wǎng)絡節(jié)點軟件設計
4.1 路由FFD 節(jié)點軟件模塊設計
路由FFD 模塊上電后首先對CC2430 進行初始化,，然后嘗試加入網(wǎng)絡。如果加入網(wǎng)絡成功,， 在接收到網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)出的開始采樣指令后開始采樣數(shù)據(jù),， 并利用CC2430 自帶的A/D 轉換將模擬信號轉換為數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡協(xié)調器,。其軟件流程如圖5所示,。
圖5 FFD 節(jié)點軟件流程圖