隨著醫療衛生行業信息化進程的不斷推進，病房護理呼叫系統已經成為醫院提高醫療護理服務質量、提升醫護人員工作效率和減少醫療事故的重要基礎設施。目前，病房護理呼叫系統的種類很多，多數采用有線通信方式。由于采用有線線纜方式進行布線安裝，病房護理呼叫系統存在著成本高、施工繁瑣、維護困難、移動性差、重復利用率低等弊端[1]。同時，由于病房護理呼叫系統缺乏對呼叫信息的存儲、統計和管理功能，當醫護人員離開值班室時，就有可能貽誤病人的護理請求，給病人和醫院造成不可挽回的損失。鑒于現有病房護理呼叫系統存在的弊端和問題，本文提出了一種基于ZigBee的無線傳感器網絡在病房護理呼叫系統中的應用方案，旨在克服有線病房護理呼叫系統存在的弊端，解決病房護理信息實時交互的技術問題。
1 ZigBee技術
    ZigBee是一種低功耗、低成本、低速率和低復雜度的雙向無線通信技術。ZigBee協議棧主要由物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層組成[2]。其中，物理層和數據鏈路層標準由IEEE無線個人區域網(PAN)工作組制定，網絡層和應用層由ZigBee聯盟制定。在網絡層，ZigBee聯盟制定了星型、樹型和網狀網三種網絡拓撲結構。根據設備在網絡中的角色，ZigBee定義了三種邏輯設備類型：ZigBee協調器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 終端設備(ZigBee End Device)。每個ZigBee網絡節點不但可以支持多達31個傳感器和受控設備，而且可以采集和傳輸數字量和模擬量[3]。
2 系統組成和工作原理
    病房護理呼叫系統主要由監測中心和ZigBee無線傳感器網絡兩部分組成，其系統結構如圖1所示。

    監測中心主要由計算機和病房護理呼叫系統管理軟件組成，實現對呼叫信息的存儲、統計和管理等功能。利用計算機上的病房護理呼叫系統管理軟件，醫護人員可以通過操作界面直觀、清晰地看到護理呼叫節點的地理位置和相關護理信息，從而提高醫療護理服務質量、提升醫護人員工作效率和減少醫療事故[4]。
    協調器是病房護理呼叫系統的核心設備，負責選擇系統工作信道和網絡標識符，建立基于ZigBee無線傳感器網絡的病房護理呼叫系統。當醫院每層樓較寬、病房較多時，ZigBee網絡中可以加入路由器節點。路由器節點放置在協調器和護理呼叫節點之間，負責允許其他護理呼叫節點加入網絡，支持多跳路由數據包的傳輸，從而更大限度地增加護理呼叫節點的數量、擴大網絡覆蓋范圍。醫院病房區散布著大量的護理呼叫節點，它們是護理呼叫信息的發送裝置，上電后自動掃描設定的工作信道，嘗試找到一個已經存在的病房護理呼叫網絡并加入其中。護理呼叫節點主要負責病人生理參數的定時采集和護理請求的實時采集，然后通過ZigBee網絡上傳給協調器，為醫療護理人員實施護理服務提供依據[5]。
3 系統硬件設計
3.1 護理呼叫節點設計
    護理呼叫節點是病房護理呼叫系統的基本單元，負責采集病人的生理數據和護理請求，并把最終數據傳輸到ZigBee網絡協調器[6]。護理呼叫節點采用模塊化設計，主要包括：
    (1)微處理器模塊：負責控制整個護理呼叫節點，采用Chipcon公司的CC2430，滿足ZigBee在2.4 GHz 工業科學醫學(ISM)波段對低成本、低功耗的要求。
    (2)傳感器模塊：負責病人生理數據(體溫、脈搏、呼吸和血壓等)的定時采集。其中，壓力傳感器MPVX5050GP采集的脈沖分兩路接入CC2430進行分析處理，一路直接進行A/D轉換，得到靜壓信號數據；另一路通過帶通濾波放大電路進行A/D轉換，得到放大的脈搏波信號數據。傳感器模塊硬件電路如圖2所示。
    (3)按鍵模塊：負責實時檢測按鍵值，傳遞病人的護理請求信號，其硬件電路如圖3所示。按鍵模塊直接掛到CC2430的I/O口上，按鍵值通過電阻和分壓判斷。采用ADC讀取電平方式，不但具有很快的響應速度，而且可以節省I/O口。

    (4) 無線通信模塊：負責與ZigBee網絡協調器的無線通信、交換控制信息和收發數據。天線采用單極子諧振天線，長度為電子波長的四分之一（λ/4）。天線不但易于設計和實現，而且方便整合到PCB板中。
    (5)能量供應模塊：為護理呼叫節點提供運行所需的能量?？紤]到護理呼叫節點的便攜性，采用3節5號干電池供電，通過低壓差穩壓芯片AMS1117_3.3為CC2430提供直流3.3 V工作電壓[7]。由于ZigBee的功耗極低，在低耗電待機模式下，3節普通5號干電池至少可使用6個月，從而免去了病人頻繁更換電池的麻煩。
3.2 ZigBee網絡協調器設計
    ZigBee網絡協調器集成了網關和協調器的雙重功能。一方面通過ZigBee網絡與護理呼叫節點通信；另一方面通過RS232接口與監測中心的PC機連接，執行PC機的命令并做出相應的響應。
    ZigBee網絡協調器主要由處理器模塊、串行接口模塊、無線通信模塊和能量供應模塊等組成[8]，其組成如圖4所示。其中，微處理器采用Chipcon公司的CC2430，RS232電平轉換芯片采用SP3232EEA，實現RS232電平與TTL電平之間的轉換。

4 軟件設計
4.1 系統管理軟件設計
    在Power Buider 11.5環境下開發的系統管理軟件，利用Access2003數據庫實現了病房護理呼叫信息的存儲、統計和管理。系統管理軟件接收和處理通過ZigBee網絡協調器傳送的合法信息，并且在數據庫中按照預先定義好的表的形式對病房護理呼叫信息進行組織管理。醫護人員可以通過系統管理軟件界面查詢患者的病房號、床位號以及護理等級等信息，同時可以查詢護理呼叫節點采集的護理請求和生理參數等信息，并且能夠設置生理數據的報警閾值[9]。系統管理軟件組成如圖5所示。

4.2 病房護理呼叫系統軟件設計
    病房護理呼叫系統的軟件主要由μC/OS-II操作系統、ZigBee協議棧和應用控制程序組成[10]。μC/OS-II內核提供了簡單高效的任務管理、時間管理、任務間通信同步和內存管理等功能。μC/OS-II可以使各個任務獨立執行，互不干涉，很容易實現準時而且無誤執行，使實時應用程序的設計和擴展變得容易，使應用程序的設計過程大為簡化。ZigBee協議棧采用完全符合ZigBee 2006規范的TI Z-Stack，具有層次分明、擴展性強等特點。應用控制程序負責執行控制命令等功能?？傮w程序流程如圖6所示。

5 實驗結果及分析
5.1 系統參數設置
    ZigBee無線傳感器網絡采用樹型網絡拓撲結構，最大深度（Lm）為5，每個父節點的最大子節點數（Rm）為17。系統工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段，有16個速率為250 Kb/s的信道可供選擇[11]。為了避免WiFi對系統的干擾，可以使用4（2.425 GHz）、9（2.450 GHz）、14(2.475 GHz)、15（2.480 GHz）信道。
5.2 呼叫請求測試
    為了模擬真實的病房呼叫請求，通過隨機按下護理呼叫節點的按鍵來測試系統的可靠性。測試結果如表1所示。其中，d表示ZigBee網絡協調器與護理呼叫節點的距離，T表示護理呼叫節點的呼叫請求次數，R表示ZigBee網絡協調器成功接收護理呼叫節點的呼叫請求的次數。

    分析測試結果可以發現，當d≤25 m時，ZigBee網絡協調器可以準確地接收護理呼叫節點的呼叫請求，基本滿足病房護理的要求。
5.3 血壓采集測試
    為了驗證護理呼叫節點采集的血壓數據的可靠性和有效性，采用反復對比和多次重復的方法進行測試。在同一時期對同一測試者分別使用護理呼叫節點和水銀血壓計進行血壓測量，采集的血壓數據如表2所示。

    通過分析測試數據可知，護理呼叫節點與水銀血壓計的血壓測量結果基本一致。收縮壓誤差范圍≤4 mmHg，舒張壓誤差范圍≤4 mmHg。因此，護理呼叫節點測量的血壓數據可以作為臨床診斷的依據。
    病房護理呼叫系統以ZigBee無線傳感器網絡為核心，充分利用了ZigBee技術低功耗、自組網和動態路由的特點，實現了病人生理參數的定時采集和護理請求的實時采集，滿足了醫院病房護理工作的現實需求。通過實際測試，系統工作穩定可靠，具有較高的市場價值。
參考文獻
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