基于ZigBee的醫(yī)院實時定位系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

于樹科+祁宏宇

摘要：隨著醫(yī)院信息化管理的不斷發(fā)展和完善，對病人、醫(yī)生、護士、管理人員和重要儀器設備的實時定位的需求也就顯得越來越迫切，構(gòu)建智能化醫(yī)院已經(jīng)成為當前的發(fā)展趨勢。本設計基于ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)人員和設備的實時定位，大大提高了急診室、病房的使用率和設備的利用率，具有很強的實用性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；實時定位；物聯(lián)網(wǎng)；醫(yī)院

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）28-0271-02

ZigBee技術(shù)是雙向無線通訊技術(shù)，特點是短距離、低復雜度、低功耗、低速率和低成本 [1]，可工作在三個頻段，包括2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行），傳輸速率最高可達到250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s [2]。由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率非常低，發(fā)射功率也只有1mW，并且使用了休眠模式，因此ZigBee的設備很省電。

ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層支持三種拓撲結(jié)構(gòu)：星型（Star）結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀（Mesh）結(jié)構(gòu)和簇樹型（Cluster Tree）結(jié)構(gòu)[3]。星型網(wǎng)絡可提供很長時間的電池使用壽命。網(wǎng)狀網(wǎng)絡可有多條傳輸路徑，它具有較高的可靠性。簇樹型網(wǎng)絡結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。ZigBee設備按功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器的作用是啟動網(wǎng)絡初始化、規(guī)劃網(wǎng)絡節(jié)點和存儲各節(jié)點信息，路由器的作用是管理每對節(jié)點的路由信息，終端節(jié)點是網(wǎng)絡中的根節(jié)點，可以是任意類型的終端設備。

1 系統(tǒng)方案設計

智能化醫(yī)院實時定位系統(tǒng)包括人員腕帶終端、ZigBee節(jié)點、ZigBee到Wi-Fi轉(zhuǎn)換器、監(jiān)管人員智能終端、無線路由器、ARM控制網(wǎng)關(guān)、服務器和管理軟件等，能夠?qū)崿F(xiàn)人員實時定位，人員實時呼叫，重癥病人身體狀況實時監(jiān)測和報警，貴重（危險）物品實時監(jiān)測和報警等功能（如圖1所示）。

2 系統(tǒng)硬件設計

本設計硬件包括ZigBee節(jié)點（CC2530）和ARM控制網(wǎng)關(guān)等設備，將病人、醫(yī)生、護士、管理人員和便攜式儀器設備設計移動的ZigBee節(jié)點，路由器（ZigBee協(xié)調(diào)器）設計成固定的ZigBee節(jié)點，ARM控制網(wǎng)關(guān)設備要有ZigBee節(jié)點和ZigBee到Wi-Fi轉(zhuǎn)換器。

2.1 ZigBee節(jié)點

在本設計中，ZigBee節(jié)點選用CC2530芯片[4]，以此來搭建醫(yī)院的實時定位網(wǎng)絡。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器的良好性能，行業(yè)標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和其他眾多的功能。CC2530擁有多種運行模式，能夠適應極低功耗需求的系統(tǒng)。快速切換的運行模式也能夠進一步降低了能源消耗。CC2530芯片特性具有強大的地址識別、數(shù)據(jù)包處理引擎、射頻特性和低功耗特性，具有很強大的網(wǎng)絡節(jié)點功能，適應2.4GHZ的IEEE 802.15.4的RF收發(fā)器；極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的輸出功率高達4.5dBm；在無外加功放且電路完全匹配的情況下，通信距離可達百米以上；電源電壓范圍為2 ～ 3.6 V，最低工作電壓僅需2 V，且具有4 種電源運行模式，轉(zhuǎn)換時間短，非常適合需要超低功耗運行的系統(tǒng)。

2.2 ARM控制網(wǎng)關(guān)

在本設計中，ARM控制網(wǎng)關(guān)使用samsung公司的S5PV210 處理器。S5PV210處理器配備了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達到1GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可實現(xiàn)2000DMIPS（每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力；S5PV210具有很多強大的硬件編解碼功能，內(nèi)建MFC（Multi Format Codec），支持MPEG-1/2/4，H.263，H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數(shù)字TV輸出。JPEG硬件編解碼，最大支持8000x8000分辨率，內(nèi)建高性能PowerVR SGX540 3D圖形引擎和2D圖形引擎，支持2D/3D圖形加速。同時還具有1080P高清解碼引擎，能夠輸出1080P/30fps的高清視頻，帶有HDMI 1.3輸出，可以將高清視頻輸出到外部顯示器上；S5PV210處理器具有豐富的外圍接口。

在本設計中，ARM網(wǎng)關(guān)采用了如下模塊：電源管理模塊、復位電路模塊、調(diào)試電路模塊、存儲模塊、以太網(wǎng)模塊、USB接口模塊和串口模塊。報警器、協(xié)調(diào)器和攝像頭等通過USB和串口來擴展。

3 軟件設計

3.1 定位原理

CC2530芯片的硬件定位引擎與軟件的定位方法相比，有明顯的優(yōu)勢，比如高速、精準，不占用處理器時間等[5]。該硬件定位引擎的主要工作原理如下：確定3～8個參考節(jié)點，采集數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)計算出定位的位置，可保證達到耗時少于40μs，定位范圍在64m內(nèi)，定位偏差低于3m；如果參考節(jié)點達到8個以上，則將參考節(jié)點的位置進行分類，采用 8個參考節(jié)點中信號最強的 RSSI 值。

CC2530芯片的定位引擎一般采用分布式計算方法，該方法依據(jù)距離最近的參考節(jié)點（其位置是已知的）接收到的信息，對節(jié)點進行本地計算，確定待測節(jié)點的位置。因此，待測節(jié)點范圍中節(jié)點的數(shù)量將決定網(wǎng)絡的流量。

在節(jié)點上采用分布式定位計算，可有效地避免集中計算可能帶來的海量網(wǎng)絡傳輸與通信延遲問題。定位節(jié)點的工作原理如圖4所示。

定位引擎能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡射頻的精確性，并且功耗很低，通信開銷也能夠達到最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能利用現(xiàn)有的 ZigBee 基礎設施來確定其在網(wǎng)絡中的位置。

3.2 系統(tǒng)需求分析

軟件的主要功能需求如下：

1）上位機軟件自動實時掃描TCP/IP端口或RS232串口采集下位機發(fā)送上來的數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令。

2）管理人員需要監(jiān)控軟件使用人員需要可視化模擬實時顯示定位狀況和傳感數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線圖。

3）管理人員實時查看醫(yī)生、護士、病人的可視化定位。

4）管理人員對醫(yī)生、護士、病人及時呼叫與簡訊互發(fā)。

5）管理人員可視化貴重（危險）設備物品位移報警與傳感門限參數(shù)預警。

6）醫(yī)生可視化病人身體攜帶的健康照顧傳感數(shù)據(jù)及門限參數(shù)報警。

7）管理人員可視化移動人員或物品實時搜索定位。

8）權(quán)限管理人員分配不同權(quán)限于不同的管理員。

4 結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)設計、軟硬件測試和和系統(tǒng)功能測試，本系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了病人、醫(yī)生、護士、管理人員和重要儀器設備的實時定位，能夠提高急診室、病房的使用率和設備的利用率。本系統(tǒng)布局方便，安裝簡單，并且成本很低，可考慮應用到智能家居、人員監(jiān)控和危險品監(jiān)控等領(lǐng)域，有較好的前景和市場。

參考文獻：

[1] 瞿雷，胡咸斌. ZigBee技術(shù)及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 郭淵博，楊奎武. ZigBee技術(shù)與應用-CC2430設計、開發(fā)與實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[3] 葛曉宇，王慶輝， 魏立峰.ZigBee技術(shù)及其在礦山中的應用[J].微計算機信息，2007（14）：44-45.

[4] 王宇楠，黃繼偉.基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016（6）：16-18.

[5] 王玉柱，鄭文嶺，馬文麗，梁斌. 基于ZigBee的醫(yī)院病人追蹤定位系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2010（2）：55-56.