基于ZigBee技术的医院监控系统

第２１卷　第２４期　Ｖ０１．２ｌ　Ｎｏ．２４　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年１２月　Ｄｅｃ．２０１３　基才ＺｉｇＢｅｅ技术的医院监控系统　路萍　（中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙４１００１２）　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，且该系统相时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。　关键词：ＺｉｇＢｅｅ；医院监视系统：无线通讯；网络结构　中图分类号：ＴＮ９２　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）２４—００８７—０３　Ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ＬＵ　Ｐｉｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００１２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔ　ｕｓｅｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ，ｌｏｗ　ｃｏｓｔ，ｄｅｌａｙ　ｓｈｏｒｔ，ｔｈｅ　ｒｉｇｈｔ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｆｒｅｅ　ｓｐｅｃｉｉｆｃ　ｂａｎｄ，ｈｉｇｈ　ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｂｙ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｅｘｕａ１．Ｗｈａｔ＂ｓ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｏｎｅｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｏｔｈｅｒ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｈａｓ　ｍｏｒｅ　ｌａｒｇｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｓｏ　ｉｔ　ｃａｎ　ｍａｎａｇｅ　ｍｏｒｅ　Ｔｅｒｍｉｎａｌ　ｎｏｄｅ．Ａｎｄ　Ｉｔ　ｅｘｐａｎｄｅｓ　ｔｈｅ　ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｒａｎｇｅ　ｓｏ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ　ｏｆ　ｈｏｓｐｉｔａｌｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ｈｏｓｐｉｔａｌ　ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　传统医院监控系统采用有线网络监视．通过ＲＳ－４８５或　于ＩＥＥＥ８０２．１５．４，是ＩＥＥＥ无线个人区域网（ＰＡＮ）工作组的一　项标准。　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　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　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　降低系统成本，ＩＥＥＥ８０２．１５．４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　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　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：　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［一。　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ｗｉｉ工作数小时。ｆ　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，　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　收稿日期：２０１３—０６—０７　稿件编号：２０１３０６０４４　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　作者简介：路萍（１９９Ｏ一），女，山东枣庄人。研究方向：信号与信息处理、自动化。　－８７－　《电子设计工程｝２０１３年第２４期　１５　ｍｓ，这也在一定程度上节省了电能。　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　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一１２８）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Ｉ引。　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　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　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　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　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。　ＺｇＳ主枫．　一　ＺＤＳ　ＣＣ２４３Ｏ无线模块　（８０５１　ＭＣＵ＋ＺｉｇＢｅｅ无线　键拟无线显示嚣　（ＺｉｇＢｅｅ网络协调器）　痢人手掎终端３　ｚＢｓ晃线终端　按键＋进度传ｊ略嚣　＋无媲收发电路　＋２节ＡＡ电池　ＺＯＳ　瘸人手持终蛐１　ＺＤＳ　精人手辩终埔２　ＣＣ２４３０无线模块　（ＺｉｇＢｅｅ　ＦＲＤ节点）　ｚＯｓ无线终端　｝　技键＋温魔传礴嚣ｌ　＋无线收发电路ｌ　＋２带Ａ＾电ｊ电　ｌ　ＺＤＳ　ＣＣ２４３０无线模块　（ｚｉｇＳｅｅ　ＦＲＤ节．　ｊ　ＣＣ２４３　０光绒模块　（ＺｌｇＢｅｅ　ＦＲＤ节点）　图１　ＺｉｇＢｅｅ无线医院病区监控系统　Ｆｉｇ．１　ＨｏｓｐｉｔＭ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏ￣　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，　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一１２８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ＵＯ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，　０口数量。其中ＳＩＰ３２２３芯片即ＦＡＮ３２２３芯片，ＳＩＰ封装，是　一串口部分，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。　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　图２网络协调器电路框图　Ｆｉｇ．２　Ｎｅｔｗｏ￣ｃ００ｒｄｉｎａｔｏｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　通过外接ＲＳ一２３２（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。　ＣＣ２４３０￣ｔ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）　－３．３终端节点ｌＲＦＤ）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　８８－　路萍基于ＺｉｇＢｅｅ技术的医院监控系统　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。　Ｆ　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。　图３节点电路原理框图　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ｎｏｄｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　参考文献：　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ｌ３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。　【１】瞿雷，刘盛德，胡成斌．ＺｉｇＢｅｅ＃Ｌ　与应用【Ｍ】．北京：北京　航空航天大学出版社。２００７．　『２】胡加艳，陈秀万，陶迎春，等．基于室内外定位的校园ＬＢＳ　研究［Ｊ］．计算机工程，２０１０，３６（８）：２５４—２５７．　ＨＵ　Ｊｉａ—ｙａｎ，ＣＨＥＮ　Ｘｉｕ－ｗａｎ，ＴＡＯ　Ｙｉｎｇ—ｃｈｕｎ，ｅｔ　ａ１．Ｃａｍｐｕｓ　４软件实现过程　４．１初始化　ＬＢＳ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｄｏｏｒ－ｏｕｔｄｏｏｒ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，３６（８）：２５４—２５７．　４．１．１网络协调器初始化　【３】王小强，欧阳骏，黄宁淋，等．ＺｉｇＢｅｅ　线传感器网络设计　与实现【Ｍ】．北京：化学工业出版社，２０１２．　［４】王亭岭，熊军华，刘东，等．基于ＣＣ２４３０的阶梯式复费率电　能表设计『Ｊ］．低压电器，２０１０（１２）：７－１０，６１．　ＷＡＮＧ　Ｔｉｎｇ－ｌｉｎｇ，ＸＩＯＮＧ　Ｊｕｎ・ｈｕａ，ＬＩＵ　ｄｏｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｌａｄｄｅｒ・－Ｓｔｙｌｅａｎｄ　Ｍｕｌｔｉ—Ｒａｔｅ　Ｗａｌｔｔ—Ｈｏｕｒ　ｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　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　ＣＣ２４３０［￣．Ｌｏｗ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ａｐｐａｒａｔｕｓ，２０１０（１２）：７—１０，６１．　ｆ５］赵奎兵，段富海．基ｉｆ－ＺｉｇＢｅｅ点的智能家居系统语音控　制设计ｆＪ］．现代电子技术，２０１２，３５（２０）：５—８．　ＺＨＡＯ　Ｋｕｉ－ｂｉｎｇ，ＤＵＡＮ　Ｆｕ－ｈａｉ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｓｐｅｅｃｈ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　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　ｓｍａｒｔ　ｈｏｍｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｏｄｅ￣Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１２，３５（２０）：５—８．　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　加入的节点胸。　４．２工作过程　【６】马福昌，金东勇，张英梅，等．基ｆｆ－ＺｉｇＢｅｅ￣术智能家居系　统组网研究【Ｊ】．传感器世界，２００８，１４（３）：３４—３７，４５．　ＭＡ　Ｆｕ－ｃｈａｎｇ，ＪＩＮ　Ｄｏｎｇ—ｙｏｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎｇ－ｍｅｉ，ｅｔ　ａ１．　Ｃｏｍｐｏｓｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｆｕｒｎｉｔｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｉｌ　ＺｉｇｂｅｅｆＪ］．Ｓｅｎｓｏｒ　Ｗｏｒｌｄ，２００８，１４（３）：３４—３７，４５．　【７】张银勇，吴剑，李向党．桌推进系统气路启动特性研究［Ｊ］．　火箭推进，２０１２（６）：２０—２３，５１．　ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｎ—ｙｏｎｇ，ＷＵ　Ｊｉａｎ，ＬＩ　Ｘｉａｎｇ—ｄａｎｇ．　Ｓｔａｒｔｉｎｇ　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　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．　Ｊｏｕｍａｌ　ｆ　ｏＲｏｃｋｅｔ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，２０１２（６）：２０—２３，５１．　（ＲＦＤ）重新采集数据再次发送至网络协调器直到成功　。网　欢迎订阅２０１４年度《电子设计工程》（ｑ－￣ｌ刊）　国内邮发代号：５２—１４２　国际发行代号：Ｍ２９９６　订价：ｌ５．００元，期３６０．Ｏ０元／年　８９－　－