新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，新疆 烏魯木齊 830054

基于Zigbee的放療室呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊玉剛，尚革，束銘洋

新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 放療科，新疆 烏魯木齊 830054

本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee技術(shù)的放療室病人無(wú)線呼叫系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件使用片上系統(tǒng)CC2530芯片設(shè)計(jì)；程序使用TI公司的Zstack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、中繼、通信等功能。該系統(tǒng)的開發(fā)具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度，無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)。

放療呼叫系統(tǒng)；CC2530芯片；Zigbee技術(shù)；呼叫報(bào)警器

0 前言

放療是癌癥三大治療手段之一。它用X線、γ線、電子線等放射線照射腫瘤，是抑制和殺滅癌細(xì)胞的一種治療方法[1]。對(duì)癌癥雖是一種有效的治療方法，但放療會(huì)產(chǎn)生放射性皮炎、放射性食管炎以及食欲下降、惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉或便秘等諸多毒副反應(yīng)，使患者飽受痛苦。在放療過(guò)程中，放療病人都是被特殊的固定裝置固定好體位，使患者無(wú)法自由移動(dòng)體位。特別是一些特殊患者，如喉癌患者，在放療的過(guò)程中肢體固定，氣管切開，無(wú)法發(fā)聲。在放療過(guò)程中感到不適或痰液堵塞氣管時(shí)，就需要一種能夠及時(shí)方便呼叫工作人員的設(shè)備。其次，新疆是一個(gè)多民族聚居的地方，包括47個(gè)民族。其中，維吾爾族是主體民族，人數(shù)占全區(qū)人口的47.5%；而漢、哈薩克、回、蒙古、柯爾克孜、錫伯、塔吉克、烏孜別克、滿、達(dá)斡爾、塔塔爾、俄羅斯等12個(gè)民族在新疆也有較長(zhǎng)的居住歷史。新疆主要的13個(gè)民族，各民族語(yǔ)言不同，文化教育相對(duì)有差異，因此患者和工作人員用語(yǔ)言溝通比較困難。本文提出的放療室呼叫系統(tǒng)主要就是針對(duì)于這種實(shí)際情況而設(shè)計(jì)，以方便放療患者在身體不適時(shí)能夠及時(shí)地呼叫工作人員，使其得到快速處理，從而減輕患者痛苦和防止意外事件的發(fā)生。

1 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介

為了減少重新布線的成本和工作量，本文設(shè)計(jì)的放療室呼叫系統(tǒng)采用了Zigbee技術(shù)。Zigbee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議定制的一種無(wú)線技術(shù)規(guī)范。該技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)[2]。在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有及其廣泛的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。一般情況下，Zigbee傳輸距離通常為幾十米，通過(guò)功率放大可以使傳輸距離達(dá)到數(shù)千米。另外，由于Zigbee中的設(shè)備使用了16位地址碼，從理論上說(shuō)可以擴(kuò)展多達(dá)65535個(gè)無(wú)線模塊，它們可以共存于同一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的每一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)之間都可以互相收發(fā)數(shù)據(jù)，而且可以指定向某一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)，由Zigbee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)選擇最佳路由，因此，數(shù)據(jù)能夠可靠的傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)。

本系統(tǒng)工作于2.4GHz的醫(yī)療與無(wú)線電愛好者開放頻段，使用無(wú)需申請(qǐng)。系統(tǒng)具備中繼和自動(dòng)選擇路由的能力，因此，患者發(fā)出的呼叫信息能夠及時(shí)地發(fā)送到工作人員和放療操作室，從而讓患者得到及時(shí)的處理。

2 呼叫系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器、若干中繼路由器、多個(gè)終端呼叫器以及呼叫報(bào)警器構(gòu)成。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一旦網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)完成，協(xié)調(diào)器的工作就充當(dāng)路由器的角色。路由器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的中繼和轉(zhuǎn)發(fā)功能，它的上端可以連接協(xié)調(diào)器，下端可以連接終端節(jié)點(diǎn)，平級(jí)還可以連接與它同一級(jí)別的協(xié)調(diào)器，用以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍[3]，很好地解決了放療機(jī)房屏蔽的問(wèn)題。除此之外，路由器本身也可以作為終端節(jié)點(diǎn)的功能來(lái)使用。呼叫器和呼叫報(bào)警器屬于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。呼叫器用于病人在感到不適時(shí)向工作人員發(fā)出求助信息；而報(bào)警器由工作人員隨身攜帶，隨時(shí)都可以接收到病人發(fā)來(lái)的求助信號(hào)，并可以及時(shí)處理特殊情況。

整個(gè)呼叫系統(tǒng)使用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)設(shè)備可以和任何在其范圍內(nèi)的所有設(shè)備進(jìn)行通信。在本系統(tǒng)中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備做了一定的限制，使得呼叫器只能和報(bào)警器之間進(jìn)行通信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，見圖1。其中，C負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，在啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之后，它所扮演的角色也就結(jié)束了；R表示為協(xié)調(diào)器；D表示醫(yī)技護(hù)工作人員；P表示患者。在該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以作為路由器，Zigbee網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)選擇合適的路由，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤的發(fā)送到指定的接收節(jié)點(diǎn)。

圖1 呼叫系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用TI公司的CC2530芯片作為控制器及Zigbee收發(fā)器。CC2530芯片用于2.4GHz的ZigBee應(yīng)用解決方案，它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。因此，系統(tǒng)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)只需要一片CC2530芯片就可輔以其他周邊設(shè)備實(shí)現(xiàn)所需功能。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖，見圖2。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

患者呼叫器和醫(yī)技護(hù)工作人員接收器均使用相同的硬件電路，減少了硬件設(shè)計(jì)的工作量，但在軟件設(shè)計(jì)上有所區(qū)別，從而使其擔(dān)任不同的角色。在該電路中，使用CC2530芯片作為系統(tǒng)控制器。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)增強(qiáng)型的8051核和一個(gè)2.4GHz的無(wú)線收發(fā)核，讓使用者不必去考慮射頻電路部分的設(shè)計(jì)，而只需要考慮天線匹配部分即可。除此之外，系統(tǒng)使用電池供電，因此不得不考慮每個(gè)終端的功耗問(wèn)題。首先，外部電路要增加電池電量監(jiān)測(cè)電路，從而使得系統(tǒng)供電不足時(shí)能夠提示用戶更換電池。其次，在考慮系統(tǒng)性能的同時(shí)，為了降低功耗，系統(tǒng)使用了32MHz的高速晶振和32.768kHz的休眠時(shí)鐘，由于該設(shè)備在絕大多數(shù)時(shí)候都處于睡眠狀態(tài)，使用休眠時(shí)鐘可以極大地降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命；而在數(shù)據(jù)收發(fā)的過(guò)程中，系統(tǒng)需要快速響應(yīng)，必須有高速晶振為其提供脈沖?；颊咄ㄟ^(guò)按鍵向醫(yī)技護(hù)工作人員發(fā)送求助信息，并等待工作人員的響應(yīng)，得到響應(yīng)后指示燈亮。在該電路中，天線匹配電路尤為重要，它直接影響無(wú)線信號(hào)的傳輸距離。因此，在布局和布線過(guò)程中，天線匹配電路需要對(duì)稱，并且周圍必須敷地，從而最大程度的避免接收到干擾信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是基于TI公司提供的Zstack協(xié)議棧開發(fā)的，它經(jīng)過(guò)了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)可，并且為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用。Zstack實(shí)際上是幫助程序員方便開發(fā)ZigBee的一套系統(tǒng)，它采用輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)OSAL。該系統(tǒng)提供的功能包括任務(wù)的注冊(cè)、初始化、開始，任務(wù)間的消息交換、任務(wù)同步、中斷處理、時(shí)間管理、內(nèi)存分配等功能[4]。另外，在Zstack協(xié)議棧中，已經(jīng)完成了底層硬件層、中間協(xié)議層以及高端應(yīng)用層的初始化，各層具體功能，見圖3。

圖3 Zstack協(xié)議棧初始化完成的任務(wù)

在系統(tǒng)啟動(dòng)之后，首先會(huì)由網(wǎng)絡(luò)中的Coordinator負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，Coordinator必須是一個(gè)全功能設(shè)備，并且是孤立設(shè)備。建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器首先掃描信道，在其通信范圍內(nèi)廣播信標(biāo)幀，如果沒有收到返回信號(hào)，則表明該范圍內(nèi)沒有已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)，然后自己建立一個(gè)新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，等待其他節(jié)點(diǎn)的加入。

在本系統(tǒng)中，呼叫器以及報(bào)警器都屬于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，它們都必須加入到Coordinator所建立的網(wǎng)絡(luò)中去，成為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程是復(fù)雜的，首先需要發(fā)送節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，得到路由器的響應(yīng)后，再次發(fā)送關(guān)聯(lián)命令，并等待上一級(jí)的響應(yīng)，最后發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令[5]。經(jīng)過(guò)3次請(qǐng)求才會(huì)真正加入網(wǎng)絡(luò)，然后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。該節(jié)點(diǎn)也具備路由器的功能，可以中繼其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，也可以允許新的節(jié)點(diǎn)的加入。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)離開其所在的網(wǎng)絡(luò)，從而不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)信號(hào)的傳輸，保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，使得呼叫器發(fā)送的求助命令可以準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)送到工作人員和操作室報(bào)警器上[6-8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)新疆多民族地區(qū)和放射治療的實(shí)際環(huán)境，結(jié)合Zigbee技術(shù)和支持Z-Stack協(xié)議的CC2530處理器設(shè)計(jì)了放療室呼叫系統(tǒng)。利用Zigbee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、中繼等功能，使得其覆蓋面積達(dá)到預(yù)定的范圍。該系統(tǒng)可以使患者在治療過(guò)程中，在行動(dòng)和發(fā)聲受限、語(yǔ)言交流比較困難的情況下，實(shí)時(shí)呼叫工作人員，從而使得工作人員可以及時(shí)了解患者的需求，減輕病患的痛苦和防止意外事件的發(fā)生。

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Design of Calling System of Radiotherapy Room Based on Zigbee

YANG Yu-gang, SHANG Ge, SHU Ming-yang
Department of Radiotherapy, the First Affliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumchi Xinjiang 830054, China

This paper designs a kind of wireless calling system in radiotherapy room based on Zigbee. The hardware of this system uses CC2530 system-on-chip, and its program uses Zstack protocol stack of TI company toimplement networking, relay, communication and so on. This system has advantages such as low cost, low power consumption, low complexity, no wiring etc.

radiation calling system; CC2530 chip; Zigbee technology; calling alarm

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.012

1674-1633(2013)05-0038-02

2012-11-24

2012-12-13

尚革，醫(yī)院腫瘤中心直線加速器室主管物理師。

作者郵箱：yg570@163．com