羅 寧，楊宇紅

（1.中國(guó)人民解放軍93995部隊(duì) 陜西 西安 710306；2.上海交通大學(xué) 上海 200240）

目前醫(yī)院中對(duì)病人輸液和血壓心跳等生理特征的監(jiān)測(cè)大多采用人工進(jìn)行，且需病人配合，此類日夜不停的監(jiān)測(cè)任務(wù)加重了醫(yī)務(wù)人員與患者的負(fù)擔(dān)，特別是在晚上，更容易在昏昏欲睡時(shí)出現(xiàn)不應(yīng)有的事故，這就導(dǎo)致了醫(yī)療監(jiān)測(cè)的效率低下和一定程度的不安全性，造成了醫(yī)務(wù)人員不能及時(shí)得到相關(guān)數(shù)據(jù)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況和缺乏輸液速度、結(jié)束提示等問(wèn)題[1-2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、能對(duì)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(dòng)進(jìn)行采集和傳輸?shù)牟》勘O(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了輸液和血壓心跳等生理特征監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化。設(shè)計(jì)中采用重力傳感器監(jiān)測(cè)輸液的液量、速度及輸液過(guò)程，采用生理傳感器檢測(cè)病人的血壓、心跳等生理特征，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)測(cè)試、自動(dòng)報(bào)警等功能；系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸采用基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，定時(shí)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的信息通過(guò)自動(dòng)路由傳輸給控制臺(tái)中心機(jī)。在控制臺(tái)中心機(jī)上，自動(dòng)比較各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，并及時(shí)對(duì)異常情況發(fā)出警報(bào)；控制臺(tái)中心機(jī)還能自動(dòng)發(fā)送病人特征數(shù)據(jù)定時(shí)監(jiān)測(cè)指令給監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)點(diǎn)做出相應(yīng)的處置。這就大大降低了護(hù)理強(qiáng)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(zhì)量。

1 低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的病房監(jiān)控系統(tǒng)中采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)擁有很高的可靠性，廣闊的覆蓋范圍和簡(jiǎn)單的部署方式；采用ZigBee技術(shù)的另一個(gè)原因，是因?yàn)樗且环N適合低速率、短距離數(shù)據(jù)傳輸，且功耗很低的無(wú)線通信技術(shù)。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有3種邏輯設(shè)備類型，它們分別是：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End-device）。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立整個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。路由器能夠提供路由服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，路由設(shè)備也能夠充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)使用，但是路由器不能夠進(jìn)入睡眠模式。終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的葉子節(jié)點(diǎn)，它們僅與它們的父節(jié)點(diǎn)相互通訊，并且不能夠提供路由服務(wù)[3-4]。

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總體框架如圖1所示，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)，為一個(gè)分布式傳感網(wǎng)，包括控制臺(tái)中心機(jī)和輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。圖中1為控制臺(tái)中心機(jī)，配置為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器。圖中2至n為輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，也可作路由器?？刂婆_(tái)中心機(jī)可以與輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)直接通信，輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間也可通過(guò)無(wú)線信號(hào)相互通信，當(dāng)遠(yuǎn)處的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)或與監(jiān)控中心間通信信號(hào)被屏蔽時(shí)，輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)同類監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將其液面信號(hào)及病人生理信息傳輸至控制臺(tái)中心機(jī)。在一個(gè)病房監(jiān)控系統(tǒng)中，控制臺(tái)中心機(jī)數(shù)量為1，輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)可動(dòng)態(tài)配置。輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間及控制臺(tái)中心機(jī)之間采用IEEE 802.X/Zigbee協(xié)議進(jìn)行通信。即1通過(guò)發(fā)送一個(gè)廣播信息將自已的身份廣播給周圍的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)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(qǐng)求，表明自已要加入1建立的網(wǎng)絡(luò)中，如果1同意接收某個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，就給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信息，節(jié)點(diǎn)2至n收到確認(rèn)信息后以路由器的身份加入網(wǎng)絡(luò)，并且開(kāi)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(shí)現(xiàn)采用了多個(gè)基于STM32W108（Cortex-M3內(nèi)核）無(wú)線SOC芯片的節(jié)點(diǎn)板組成的ADKSTM32W-SK嵌入式無(wú)線通信開(kāi)發(fā)套件，節(jié)點(diǎn)板上內(nèi)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(guò)調(diào)用ZigBee PRO的專用軟件庫(kù)，即安裝EmberZNet棧軟件，提供創(chuàng)建ZigBee無(wú)線個(gè)域網(wǎng)所需的基本功能，就可以在應(yīng)用層上進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)發(fā)[5-6]。

2 控制臺(tái)中心機(jī)的模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

控制臺(tái)中心機(jī)核心模塊采用ARM Cortex-M3處理器，具有較高的性能和較低的動(dòng)態(tài)功耗，是專門針對(duì)微控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)的主流ARM處理器?？刂婆_(tái)中心板上采用固定電源，上電后CPU進(jìn)行初始化，啟動(dòng)應(yīng)用程序。根據(jù)ADK-STM32WSK無(wú)線通信開(kāi)發(fā)套件所提供的軟件庫(kù)，建立基于ZigBee Pro協(xié)議棧的mesh網(wǎng)絡(luò)。由控制臺(tái)中心機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，建立安全有序的網(wǎng)絡(luò)，接收所有輸液結(jié)點(diǎn)上發(fā)送的信息，控制臺(tái)中心機(jī)可以與任意一個(gè)輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線信號(hào)相關(guān)聯(lián)。除此之外，系統(tǒng)的控制臺(tái)中心機(jī)還應(yīng)具備如下功能：

1）剩余輸液量或剩余輸液時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示；將各輸液點(diǎn)的殘余重量與門限值對(duì)比，預(yù)測(cè)該輸液點(diǎn)剩余輸液時(shí)間，對(duì)即將結(jié)束的輸液節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)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(duì)比，對(duì)于不正常的狀態(tài)發(fā)出聲光報(bào)警；

3）輸液節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)顯示及聲光提示；

4）應(yīng)急召喚顯示及聲光提示；

5）控制臺(tái)信息歷史記錄等。

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

主程序運(yùn)行包括如下幾個(gè)步驟：

1）初始化 HAL；

2）開(kāi)中斷；

3）初始化串口；

4）檢查復(fù)位信息；

5）調(diào)用 emberInit（）；

6）初始化應(yīng)用程序狀態(tài)；

7）設(shè)置安全密鑰；

8）新建或重建之前的網(wǎng)絡(luò)；

9）進(jìn)入應(yīng)用子程序所在的循環(huán)（流程框圖如圖2所示），其中應(yīng)用子程序的功能包括加入網(wǎng)絡(luò)計(jì)時(shí)，定時(shí)廣播，定時(shí)改變密鑰，檢查按鍵狀態(tài)，接收sensor傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理和顯示等。

圖2 控制臺(tái)中心機(jī)應(yīng)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(cè)節(jié)點(diǎn)的模塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)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(chǎn)生于瓶重相關(guān)的電信號(hào)；二是體征感應(yīng)單元，主要檢測(cè)病人的血壓心跳等生理特征，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；三是開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳感器，用于病人的應(yīng)急傳呼。

系統(tǒng)的每個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)上都布置網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，也作為路由器，負(fù)責(zé)接收傳感器信息并發(fā)送給控制臺(tái)中心機(jī)（中間可能經(jīng)過(guò)多級(jí)路由）。各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(cè)；由醫(yī)生根據(jù)病人用藥不同，為每個(gè)輸液終端設(shè)置報(bào)警門限；

2）應(yīng)急呼叫響應(yīng)；

3）輸液節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的發(fā)送。每個(gè)輸液節(jié)點(diǎn)采用間歇睡眠方式，每隔數(shù)秒鐘計(jì)算輸液瓶及其所含藥水分量并檢測(cè)病人的生理狀態(tài)，并將該信息通過(guò)相應(yīng)的路由最終傳送至控制臺(tái)中心機(jī)

4）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)。

5）輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)具有對(duì)電源進(jìn)行檢測(cè)的功能，當(dāng)電池電量低于預(yù)設(shè)門限時(shí)，向控制臺(tái)中心預(yù)警，提示更換電池。

輸液監(jiān)控點(diǎn)有兩種布局方式：

①低功耗方式：根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景及已布局好的無(wú)線傳感器間信號(hào)強(qiáng)度，為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置固定的通信伙伴；

②智能工作方式：通過(guò)偵測(cè)無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，采用優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信關(guān)系設(shè)置；

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊硬件組成如圖3所示，包括微處理器（MCU）、電源、按鍵檢測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)供電；MCU為低功耗單片機(jī)，上電后初始化，對(duì)WiFi無(wú)線通信模塊進(jìn)行配置，對(duì)傳感器輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。檢測(cè)電路為簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊間的組網(wǎng)及通信。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)模塊Fig.3 The modules of the monitoring node

主機(jī)MCU為節(jié)點(diǎn)模塊的核心部分，負(fù)責(zé)與控制臺(tái)中心機(jī)的聯(lián)網(wǎng)通信，接收傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后在本地監(jiān)視器上顯示或啟動(dòng)聲光提醒裝置，還需將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制臺(tái)中心機(jī)，其上的主程序運(yùn)行步驟與中心機(jī)基本相同，不過(guò)是以路由器是身份加入到中心機(jī)所建立的網(wǎng)路中。而其應(yīng)用子程序所在的循環(huán)的流程框圖如圖4所示，其中應(yīng)用子程序的主要功能在于準(zhǔn)備好傳感器數(shù)據(jù)，然后通過(guò)與控制臺(tái)中心機(jī)的通信協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送給中心機(jī)。

4 節(jié)點(diǎn)自動(dòng)路由的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)采用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)地址：一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò)短地址和一個(gè)64位IEEE擴(kuò)展地址。其中16位網(wǎng)絡(luò)地址僅僅在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用，用于路由機(jī)制和數(shù)據(jù)傳輸。這個(gè)地址是在節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配的。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)允許一個(gè)新節(jié)點(diǎn)通過(guò)它加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它們之間就形成了父子關(guān)系。

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

當(dāng)場(chǎng)景環(huán)境簡(jiǎn)單，通信信號(hào)強(qiáng)度較好時(shí)，控制臺(tái)中心機(jī)可以擔(dān)當(dāng)路由器，作為根節(jié)點(diǎn)與輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行通信。如果環(huán)境不理想，有部分輸液節(jié)點(diǎn)與中心機(jī)間無(wú)法直接建立聯(lián)系，但可以與其它節(jié)點(diǎn)連接時(shí)，應(yīng)用動(dòng)態(tài)路由規(guī)劃，用多跳技術(shù)實(shí)現(xiàn)與中心機(jī)間的通信。當(dāng)所有的輸液監(jiān)控節(jié)點(diǎn)均無(wú)法與中心機(jī)建立連接時(shí)，可以在合適的位置增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)作為路由器或父節(jié)點(diǎn)，最終實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用基于重力傳感器的輸液狀態(tài)信息反饋及定時(shí)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制；無(wú)論是控制臺(tái)中心機(jī)還是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心MCU都采用單片機(jī)控制，應(yīng)用IEEE802.X/Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間及節(jié)點(diǎn)與控制臺(tái)中心機(jī)的可靠通信，節(jié)點(diǎn)也可直接與PC機(jī)進(jìn)行通信；具有低電壓、低功耗的特點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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_(tái)中心機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸液醫(yī)療過(guò)程及病人生理狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和異常情況報(bào)警，滿足了臨床輸液監(jiān)控的需要，降低了醫(yī)務(wù)人員工作強(qiáng)度，提高了監(jiān)護(hù)質(zhì)量，具有較好的臨床應(yīng)用前景。

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