基于ZigBee技术的医院监控系统

    摘要：为了实现对医院监控系统的无线网络通讯，提出了基于ZigBee技术的医院监控系统。其利用了ZigBee技术低功耗，低成本，时延短，可使用免费特定频段，高保密的特点，通过硬件设计和软件仿真，验证了该无线网络通讯系统具有优秀的无线通讯效果及可操作性，且该系统相对基于其他无线通讯技术的网络，将有更大网络容量，可管理更多终端节点，这扩大了医院监控范围，可大大提高医院的医疗管理效率。

    传统医院监控系统采用有线网络监视，通过RS-485或其他有线方式连接到主机上。这样的监控系统必须在医院病房及走廊上进行线路布置，且监控节点需固定在某个位置上，不能带出病房，在系统出现故障时维护困难。

    如今医院监控系统正利用无线通讯方式的及时性和移动性，结合医疗管理系统建立无线监控系统，使对病房的监控(包括病人体温监控及病人的呼叫监控)处于计算机网络系统管理之下，从而及时应答病人请求。

    目前主要流行的无线通讯技术包含了IrDA红外线技术，蓝牙技术和ZigBee技术等。IrDA红外线技术属于半双工通讯方式，使用上不便且失误率较高。而蓝牙技术成本较高，网络容量有限，不适于网络节点数较多的医院监控系统。而ZigBee作为新型无线组网技术，组网简单，低功耗，低成本，很适合用来实现小范围的无线传感器网络，另外，还可以通过增加网络节点数来解决ZigBee网络远距离通讯的问题。

1 ZigBee技术简介

    ZigBee技术是当今流行的短距离，低速率的无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术。它基于IEEE802.15.4，是IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的一项标准。

    ZigBee依托于一个个独立工作节点，利用无线通信技术，通过自组织的方式组成星型，树型及网状网络结构。考虑降低系统成本，IEEE 802.15.4定义了两种物理设备类型：全功能设备FFD和精简功能设备RFD。FFD节点具有控制器的功能，以提供数据交换，可以作为网络协调器，路由节点和终端节点使用，可以和网络中任何类型的设备通信;RFD智能作为终端节点使用。

    ZigBee的特点及优点如下：

    1)低功耗：两节五号电池可供网络使用六个月至两年左右的时间，这是其突出优势，相比之下，蓝牙可以工作数周，而wifi工作数小时。

    2)可靠。采用碰撞避免机制;节点模块间具有自动动态组网功能，信息在整个网络中通过自动路由方式进行传输，从而有效保证了信息传输的可靠性。

    3)成本低：通过大幅简化协议降低成本，ZigBee协议专利免费。

    4)时延短：针对时延敏感应用做了优化，使其响应速度较快，通信时延只需30 ms，从休眠状态激活的时延只需15 ms，这也在一定程度上节省了电能。

    5)网络容量大：ZigBee的三种网络(星型，树型，网状)由一个主节点来管理若干个子节点，而一个主节点最多管理254个子节点。与此同时，主节点还可以由上一层网络节点管理，因此最多可支持达65000个节点。

    6)高保密性：ZigBee采用了64位出厂编号并且应用高级加密标准(AES-128)以灵活确定其安全属性。

    7)免执照频段：采用全球统一的工业科学医疗2.4 Hz频段。

2 基于ZigBee技术无线医院监控网络组建

    2.1 医院监控网络拓扑结构的选择

    ZigBee支持包办有主从设备的星型，树型，网状拓扑结构。星型拓扑网络结构中有一个中央协调器)和若干个从设备(终端节点)，所有的终端节点智能与协调器进行通信，适应于小范围网络系统使用。树型拓扑网络结构也是由一个中央控制器(网络协调器)和若干终端节点组成，在控制器与终端节点间由由路由器连接众多星型网络，可以说是利用路由器的星型网络结构的扩充，适合分布范围较大的应用场合。网状拓扑结构中任何设备都可以与它所涵盖的无线通信范围内的其他设备进行通信，结构较为复杂。而针对医院病房比较集中，且范围有限的特点，根据ZigBee标准说明，室内环境一般可以达到30多米的覆盖范围，所以对于一般医院病房区足够，星型拓扑结构较为合适，又其具有简洁和低功耗特点，所以医院无线监控网络系统采用星型无线网络系统。

    2.2 医院无线监控网络的组建

    医院无线监控网络系统设置一个网络协调器(FFD)与若干个终端节点(RFD)节点，网络协调器设置在医院监控室中，负责建立和管理网络，并显示当前网络状况以及将接受信息发送至计算机中。终端节点(RFD)分布在各个病房内，负责采集病房温度及设置在病房内的呼叫按键值，并周期性地将采集的信息发送给网络协调器。系统图如图1所示。

3 系统硬件及基本电路设计

    3.1 网络协调器(FFD)的组成

    此医院无线监控网络系统网络协调器(FFD)由CC2430，串口部分，按键以及液晶组成，用来显示当前病房的状态。结构图如图2所示。

    CC2430是由Chipcon公司生产的系统芯片，其延用了CC2420芯片结构，在单个芯片上面包含了ZigBee射频(RF)前端，内存以及微控制器。它使用一个8位的MCU(8051)，具有128KB的可编程闪存和8KB的RAM，还包含了数模转换器，4个定时器，AES-128安全协处理器，看门狗定时器(Watchdog Timer)，32 kHz晶振休眠模式定时器，上点复位电路，掉电检测电路，和21个可编程I/O引脚。该网络中CC2430的I/O口直接控制液晶，用来显示当前温度或者病人是否有帮助需求。这里采用了ADC采样扫描键盘，可节省I/O口数量。其中SIP3223芯片即FAN3223芯片，SIP封装，是一块双路4 A高速，低侧栅极驱动器。

    3.2 终端节点(RFD)的构建

    ZigBee节点由微控制器模块，存储器，无线收发模块，电源模块，传感器模块及其他外设组成。终端节点(RFD)设置在每个病床旁，与病人的手持终端相连，该节点可以检测自己所处环境温度，并且可以扫描按键值，然后将检测到的温度值以及按键状态发送至主机。其中增加的串口扩展接口可通过外接RS-232(异步传输标准接口)模块将数据传至计算机。原理框图如图3所示。

    3.3 终端节点(RFD)中传感器的选择

    本系统使用的传感器为TC77.它SPI串行接口的温度传感器，尺寸小，成本低，使用方便，是多种系统温度管理的理想选择。TC77所检测的温度数据通过其内部的温度敏感元件转换获得，可以随时转化为13位的二进制补码数字。可以通过SPI及Microwire可兼容接口与TC77完成通信。

4 软件实现过程

    4.1 初始化

    4.1.1 网络协调器初始化

    网络协调器首先初始化CC2430和液晶，程序方面初始化协议栈.并且打开中断。然后开始格式化一个网络，可以通过液晶上显示的格式化网络的相关信息判断格式化是否成功。通过串口57600，8，N，1在串口调试助手里可以看到网络协调器的物理地址，所建立网络的网络频道号和ID号等信息。

    4.1.2 终端节点(RFD)初始化

终端节点(RFD)程序中同样初始化CC2430，之后打开传感器电源，然后再进行协议栈初始化，发送加入网络的信号，等待主机的响应，同时给主机分配网络地址。

    4.1.3 新节点建立

    程序进入应用层，通过对相关函数监测到空中的ZigBee信号，判断是否有终端节点(RFD)或路由加入网络。若有终端节点(RFD)或路由，一方面液晶及串口输出将显示有新的终端节点(RFD)或路由节点加入网络中，并且显示有关加入网络节点的物理地址，另一方面网络协调器分配网络地址给加入的节点。

    4.2 工作过程

    终端节点(RFD)周期性采集温度值和扫描按键值，并将检测数据打包发送至网络协调器，然后等待接收应答。如果发送成功，则终端节点(RFD)回到空闲状态，否则终端节点(RFD)重新采集数据再次发送至网络协调器直到成功。网络协调器接收到数据后在液晶上显示接收到的温度值和按键信息。如果帮助按键按下，页面上则会显示“HELP ME!”，此时可以通过网络协调器上的下键清除显示的求助信号。

5 结束语

    基于ZigBee技术的医院监控系统充分利用无线网络的移动性和及时性，使医院处于计算机网络管理之下，节省了架线，方便了医护之间的通讯，势必会在未来医院系统中发挥重大作用。