基于無線傳感器網絡的病房監(jiān)控系統(tǒng)設計

2014-01-15 10:00:50楊宇紅

電子設計工程 2014年21期

羅寧，楊宇紅

（1.中國人民解放軍93995部隊陜西西安 710306；2.上海交通大學上海 200240）

目前醫(yī)院中對病人輸液和血壓心跳等生理特征的監(jiān)測大多采用人工進行，且需病人配合，此類日夜不停的監(jiān)測任務加重了醫(yī)務人員與患者的負擔，特別是在晚上，更容易在昏昏欲睡時出現(xiàn)不應有的事故，這就導致了醫(yī)療監(jiān)測的效率低下和一定程度的不安全性，造成了醫(yī)務人員不能及時得到相關數(shù)據(jù)、及時發(fā)現(xiàn)異常情況和缺乏輸液速度、結束提示等問題[1-2]。

針對以上問題，本文設計了一種基于無線傳感器網絡、能對病人的狀態(tài)（包括病人的輸液狀況和病人心跳、血壓等數(shù)據(jù)）自動進行采集和傳輸?shù)牟》勘O(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了輸液和血壓心跳等生理特征監(jiān)測的自動化、智能化。設計中采用重力傳感器監(jiān)測輸液的液量、速度及輸液過程，采用生理傳感器檢測病人的血壓、心跳等生理特征，并實現(xiàn)了自動測試、自動報警等功能；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸采用基于Zigbee技術的無線傳感器網絡，將各監(jiān)測點作為無線傳感器節(jié)點，定時將各個節(jié)點采集的信息通過自動路由傳輸給控制臺中心機。在控制臺中心機上，自動比較各項數(shù)據(jù)是否在正常范圍內，并及時對異常情況發(fā)出警報；控制臺中心機還能自動發(fā)送病人特征數(shù)據(jù)定時監(jiān)測指令給監(jiān)測點，以便監(jiān)測點做出相應的處置。這就大大降低了護理強度，減小了人為疏忽造成的醫(yī)療事故，從而極大地提高了醫(yī)療效率和質量。

1 低功耗無線傳感網絡的系統(tǒng)架構

本文設計的基于無線傳感器網絡的病房監(jiān)控系統(tǒng)中采用ZigBee網絡協(xié)議棧支持網狀拓撲結構，使得整個網絡擁有很高的可靠性，廣闊的覆蓋范圍和簡單的部署方式；采用ZigBee技術的另一個原因，是因為它是一種適合低速率、短距離數(shù)據(jù)傳輸，且功耗很低的無線通信技術。

在ZigBee網絡中，有3種邏輯設備類型，它們分別是：協(xié)調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End-device）。一個ZigBee網絡包括一個協(xié)調器以及多個路由器和終端設備。協(xié)調器包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網絡信標、建立整個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。路由器能夠提供路由服務的網絡設備，能夠實現(xiàn)網絡數(shù)據(jù)包的轉發(fā)，路由設備也能夠充當終端節(jié)點使用，但是路由器不能夠進入睡眠模式。終端設備是網絡拓撲結構中的葉子節(jié)點，它們僅與它們的父節(jié)點相互通訊，并且不能夠提供路由服務[3-4]。

設計的系統(tǒng)總體框架如圖1所示，無線網絡的監(jiān)控服務系統(tǒng)，為一個分布式傳感網，包括控制臺中心機和輸液監(jiān)控節(jié)點。圖中1為控制臺中心機，配置為無線傳感器網絡的協(xié)調器。圖中2至n為輸液監(jiān)控節(jié)點，對應無線網絡的終端設備，也可作路由器?？刂婆_中心機可以與輸液監(jiān)控節(jié)點直接通信，輸液監(jiān)控節(jié)點間也可通過無線信號相互通信，當遠處的監(jiān)控節(jié)點或與監(jiān)控中心間通信信號被屏蔽時，輸液監(jiān)控節(jié)點可以通過同類監(jiān)控節(jié)點將其液面信號及病人生理信息傳輸至控制臺中心機。在一個病房監(jiān)控系統(tǒng)中，控制臺中心機數(shù)量為1，輸液監(jiān)控節(jié)點數(shù)可動態(tài)配置。輸液監(jiān)控節(jié)點間及控制臺中心機之間采用IEEE 802.X/Zigbee協(xié)議進行通信。即1通過發(fā)送一個廣播信息將自已的身份廣播給周圍的節(jié)點，節(jié)點2至n將1的地址記錄在自已的地址表中，然后向1發(fā)送請求，表明自已要加入1建立的網絡中，如果1同意接收某個節(jié)點的數(shù)據(jù)，就給該節(jié)點發(fā)送一個確認信息，節(jié)點2至n收到確認信息后以路由器的身份加入網絡，并且開始以一定的間隔向1發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Structure diagram of the monitoring system

該系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)采用了多個基于STM32W108（Cortex-M3內核）無線SOC芯片的節(jié)點板組成的ADKSTM32W-SK嵌入式無線通信開發(fā)套件，節(jié)點板上內嵌了Zigbee PRO/IEEE 802.15.4協(xié)議棧，帶有射頻功放，并可選擇安裝多種傳感器。通過調用ZigBee PRO的專用軟件庫，即安裝EmberZNet棧軟件，提供創(chuàng)建ZigBee無線個域網所需的基本功能，就可以在應用層上進行相應的開發(fā)[5-6]。

2 控制臺中心機的模塊設計實現(xiàn)

控制臺中心機核心模塊采用ARM Cortex-M3處理器，具有較高的性能和較低的動態(tài)功耗，是專門針對微控制器應用開發(fā)的主流ARM處理器。控制臺中心板上采用固定電源，上電后CPU進行初始化，啟動應用程序。根據(jù)ADK-STM32WSK無線通信開發(fā)套件所提供的軟件庫，建立基于ZigBee Pro協(xié)議棧的mesh網絡。由控制臺中心機負責發(fā)送網絡信標，建立安全有序的網絡，接收所有輸液結點上發(fā)送的信息，控制臺中心機可以與任意一個輸液監(jiān)控節(jié)點通過無線信號相關聯(lián)。除此之外，系統(tǒng)的控制臺中心機還應具備如下功能：

1）剩余輸液量或剩余輸液時間的實時顯示；將各輸液點的殘余重量與門限值對比，預測該輸液點剩余輸液時間，對即將結束的輸液節(jié)點進行報警；

2）病人生理狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示；將病人生理狀態(tài)值與正常范圍對比，對于不正常的狀態(tài)發(fā)出聲光報警；

3）輸液節(jié)點工作狀態(tài)顯示及聲光提示；

4）應急召喚顯示及聲光提示；

5）控制臺信息歷史記錄等。

中心板配置有串口或USB轉串口可與PC的超級終端通信，從而可將調試和程序運行狀態(tài)以及輸液系統(tǒng)相關信息在PC的顯示器上顯示。

主程序運行包括如下幾個步驟：

1）初始化 HAL；

2）開中斷；

3）初始化串口；

4）檢查復位信息；

5）調用 emberInit（）；

6）初始化應用程序狀態(tài)；

7）設置安全密鑰；

8）新建或重建之前的網絡；

9）進入應用子程序所在的循環(huán)（流程框圖如圖2所示），其中應用子程序的功能包括加入網絡計時，定時廣播，定時改變密鑰，檢查按鍵狀態(tài)，接收sensor傳送的數(shù)據(jù)進行相關的處理和顯示等。

圖2 控制臺中心機應用子程序流程框圖Fig.2 Flow chart of the software design for the control center

3 輸液監(jiān)測節(jié)點的模塊設計實現(xiàn)

系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點采用的傳感器主要有3種：一是重力傳感器，位于掛鉤與輸液瓶之間，用于感知輸液瓶/袋及其藥水重量，產生于瓶重相關的電信號；二是體征感應單元，主要檢測病人的血壓心跳等生理特征，并轉換成電信號；三是開關節(jié)點傳感器，用于病人的應急傳呼。

系統(tǒng)的每個監(jiān)測節(jié)點上都布置網絡終端設備，也作為路由器，負責接收傳感器信息并發(fā)送給控制臺中心機（中間可能經過多級路由）。各個節(jié)點具有的主要功能如下：

1）輸液殘余液體重量及病人生理狀況檢測；由醫(yī)生根據(jù)病人用藥不同，為每個輸液終端設置報警門限；

2）應急呼叫響應；

3）輸液節(jié)點狀態(tài)信息的發(fā)送。每個輸液節(jié)點采用間歇睡眠方式，每隔數(shù)秒鐘計算輸液瓶及其所含藥水分量并檢測病人的生理狀態(tài)，并將該信息通過相應的路由最終傳送至控制臺中心機

4）無線傳感網絡中的中繼節(jié)點。

5）輸液監(jiān)控節(jié)點具有對電源進行檢測的功能，當電池電量低于預設門限時，向控制臺中心預警，提示更換電池。

輸液監(jiān)控點有兩種布局方式：

①低功耗方式：根據(jù)應用場景及已布局好的無線傳感器間信號強度，為每個傳感器節(jié)點設置固定的通信伙伴；

②智能工作方式：通過偵測無線信號強度，采用優(yōu)化算法實現(xiàn)動態(tài)的網絡節(jié)點間的通信關系設置；

系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點模塊硬件組成如圖3所示，包括微處理器（MCU）、電源、按鍵檢測電路，WiFi通信模塊和傳感器等組成。其中電源模塊為2節(jié)1.5 V電池，實現(xiàn)對系統(tǒng)供電；MCU為低功耗單片機，上電后初始化，對WiFi無線通信模塊進行配置，對傳感器輸入數(shù)據(jù)進行處理。檢測電路為簡單開關電路，用于病人的突發(fā)呼叫。WiFi通信模塊采用IEEE802.x/Zigbee協(xié)議，實現(xiàn)無線模塊間的組網及通信。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點模塊Fig.3 The modules of the monitoring node

主機MCU為節(jié)點模塊的核心部分，負責與控制臺中心機的聯(lián)網通信，接收傳感器數(shù)據(jù)，進行處理后在本地監(jiān)視器上顯示或啟動聲光提醒裝置，還需將相關數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺中心機，其上的主程序運行步驟與中心機基本相同，不過是以路由器是身份加入到中心機所建立的網路中。而其應用子程序所在的循環(huán)的流程框圖如圖4所示，其中應用子程序的主要功能在于準備好傳感器數(shù)據(jù)，然后通過與控制臺中心機的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心機。

4 節(jié)點自動路由的設計

監(jiān)控系統(tǒng)采用的ZigBee網絡的所有節(jié)點都有兩個地址：一個16位網絡短地址和一個64位IEEE擴展地址。其中16位網絡地址僅僅在網絡內部使用，用于路由機制和數(shù)據(jù)傳輸。這個地址是在節(jié)點加入網絡時由其父節(jié)點動態(tài)分配的。當網絡中的節(jié)點允許一個新節(jié)點通過它加入網絡時，它們之間就形成了父子關系。

圖4 節(jié)點MCU程序流程框圖Fig.4 MCU software design Flow chart of the node

當場景環(huán)境簡單，通信信號強度較好時，控制臺中心機可以擔當路由器，作為根節(jié)點與輸液監(jiān)控節(jié)點間進行通信。如果環(huán)境不理想，有部分輸液節(jié)點與中心機間無法直接建立聯(lián)系，但可以與其它節(jié)點連接時，應用動態(tài)路由規(guī)劃，用多跳技術實現(xiàn)與中心機間的通信。當所有的輸液監(jiān)控節(jié)點均無法與中心機建立連接時，可以在合適的位置增加監(jiān)測節(jié)點，將這些節(jié)點作為路由器或父節(jié)點，最終實現(xiàn)互聯(lián)互通。

5 結論

本系統(tǒng)的設計采用基于重力傳感器的輸液狀態(tài)信息反饋及定時的監(jiān)控節(jié)點工作狀態(tài)監(jiān)測機制；無論是控制臺中心機還是各個節(jié)點的核心MCU都采用單片機控制，應用IEEE802.X/Zigbee協(xié)議實現(xiàn)節(jié)點間及節(jié)點與控制臺中心機的可靠通信，節(jié)點也可直接與PC機進行通信；具有低電壓、低功耗的特點。

本設計利用無線傳感器網絡將采集到的輸液數(shù)據(jù)和病人的生理信息傳輸?shù)娇刂婆_中心機，實現(xiàn)了對輸液醫(yī)療過程及病人生理狀態(tài)的實時監(jiān)控和異常情況報警，滿足了臨床輸液監(jiān)控的需要，降低了醫(yī)務人員工作強度，提高了監(jiān)護質量，具有較好的臨床應用前景。

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