范金文，何 青

（長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 湖南 長沙 410114）

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，有多種關(guān)于移動裝置的通信、識別和定位的方法及系統(tǒng)，但在通信、識別和定位三項功能特征中，所有這些系統(tǒng)都只側(cè)重于其中的一個或兩個功能特征，在三項功能并重時，我們往往需要借助于另一個需要占用大量資源的系統(tǒng)或補充必需的硬件設(shè)備，才能達(dá)成預(yù)期的目標(biāo)，這一方面浪費了外部資源、降低了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，特別是對于移動物體，硬件設(shè)備的增加更有可能降低系統(tǒng)的可操作性和可維護(hù)性。本文討論了利用CC2500模塊將通信、識別和定位三者有機結(jié)合在醫(yī)療呼叫管理系統(tǒng)應(yīng)用，解決了三項功能同時運用的時候出現(xiàn)的資源浪費等問題。

不同的應(yīng)用環(huán)境對定位精度有著不同的要求。室內(nèi)環(huán)境本身比較小，一般來說要求定位精度比較高才能夠滿足應(yīng)用需要。但是室內(nèi)定位需要回答的往往是這樣的問題：“某人在哪個房間?”而被定位者在房間中的位置我們大部分情況下并不關(guān)心，因此實際上只要能夠達(dá)到定位到房間就可以滿足很多實際需要了[1-2]。在實際醫(yī)院運行中，患者與醫(yī)護(hù)人員接觸的次數(shù)相當(dāng)?shù)亩?。一方面如何讓患者了解醫(yī)護(hù)人員的位置，快速的找到附近的醫(yī)護(hù)人員，實現(xiàn)醫(yī)護(hù)人員快速且方便得為患者提供服務(wù)，另一方面如何管理醫(yī)護(hù)人員和患者，特別是在現(xiàn)在醫(yī)療資源不夠充分的條件下，這是擺在醫(yī)院管理者面前的一道難題。該系統(tǒng)通過對醫(yī)護(hù)人員和患者佩戴的移動設(shè)備的通信、識別和定位，實現(xiàn)人員的相對坐標(biāo)的定位，實時發(fā)布醫(yī)護(hù)人員的位置信息（病區(qū)、房間），第一時間響應(yīng)患者請求，方便醫(yī)護(hù)人員處理日常和突發(fā)事件。

1 系統(tǒng)框架與配置

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)由管理設(shè)備、基站設(shè)備和移動設(shè)備3部分構(gòu)成。其中管理設(shè)備包含系統(tǒng)服務(wù)器、護(hù)士工作站和管理主機；基站設(shè)備包括醫(yī)護(hù)分機、病員一覽表、走廊漢字顯示屏、門口分機、床頭分機、治療室分機和衛(wèi)浴分機等有線設(shè)備；移動終端包括移動分機和病員腕表等移動終端。所有基站設(shè)備都與管理主機之間建立有線連接，因此所有配置信息以及數(shù)據(jù)都由管理主機下發(fā)給基站設(shè)備，基站設(shè)備上報的信息，也統(tǒng)一由管理主機接收；移動終端通過無線信號，與基站設(shè)備建立連接并通訊。特別說明：除管理主機外，任何一個有線設(shè)備都可以設(shè)為基站，并可指定其無線信號的頻點。

1.2 系統(tǒng)配置

以房間為單位，所有基站設(shè)備默認(rèn)為后備基站，由用戶通過護(hù)士工作站配置指定一個基站設(shè)備作為該房間的基站（一般以中間的有線設(shè)備作為基站），并為每個基站配置一個無線信號頻點。要求每個基站周圍三維空間的其他基站的無線信號頻點與該基站的無線信號的頻點不相同。

用戶通過治療室分機，為移動分機配置下發(fā)醫(yī)護(hù)人員工號，表示該移動分機與相關(guān)醫(yī)護(hù)人員身份綁定；同時治療室分機自動上報給管理主機，為此移動分機生成對應(yīng)的輪詢表項，并下發(fā)給各個基站；下發(fā)基站的輪詢表項內(nèi)容為：移動分機地址；類型為移動分機；輪詢標(biāo)志為是；成敗標(biāo)志為失敗。同樣的，用戶也可以通過治療室分機修改和刪除移動分機上的配置信息。

用戶通過治療室分機，為病人腕表配置病員住院號，表示該病員腕表與相應(yīng)的病人身份綁定；同時治療室分機自動上報給管理主機，為此病員腕表生成對應(yīng)的輪詢表項，并下發(fā)給各個基站；下發(fā)基站的輪詢表項內(nèi)容為：移動分機地址；類型為病員腕表；輪詢標(biāo)志為是；成敗標(biāo)志為失敗。同樣的，用戶也可以通過治療室分機修改和刪除病員腕表的配置信息。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體布局如下，每個房間有3個床位，分別在床頭安裝一個床頭分機，根據(jù)基站的配置原則，當(dāng)房間內(nèi)存在多個有線設(shè)備時，以居中的有線設(shè)備作為基站，其它有線設(shè)備作為后備基站，故中間的設(shè)定為該房間的基站。門口分機安裝在走廊的門口部位，用作走廊的人員定位基站與醫(yī)護(hù)人員巡房簽到。每個基站周圍的其他基站無線信號頻點與該基站的無線信號頻點必不相同。通過在每個房間設(shè)置不同頻點的基站來區(qū)分管理的區(qū)域，實現(xiàn)對區(qū)域內(nèi)的移動終端的通信、識別和定位，將相關(guān)人員的位置相對坐標(biāo)而不是絕對坐標(biāo)定位出來，即醫(yī)護(hù)人員與患者所在病區(qū)和房間信息。

圖1 移動分機頻點自適應(yīng)流程圖Fig.1 Flow chart of Mobile Extension frequency adaptive

通過基站輪詢的方式進(jìn)行無線通訊，確保無線信號不會相互干擾。醫(yī)護(hù)人員佩戴的移動分機采用頻點自適應(yīng)的方式確保實時接入離自己最近的基站點，移動分機的頻點自適應(yīng)過程如圖1所示。移動分機系統(tǒng)啟動后，循環(huán)檢測系統(tǒng)N個頻點的無線信號的強度，以接收信號強度最大的無線信號的頻點作為自己的信號頻點Fn（接收信號強度（RSSI）反應(yīng)移動設(shè)備與基站的距離，距離越小，信號越強）[3]，自行匹配；響應(yīng)該頻點基站的輪詢，這樣保證了移動分機無時無刻都是和最近的基站站點實時連通通訊。

管理主機周期性的下發(fā)基站輪詢命令，記錄相應(yīng)的移動設(shè)備所在的基站位置，通過基站收集信息，采用有線的方式上傳給管理主機，管理主機采用WIFI連接護(hù)士站的PC機，并實時上傳位置信息，將醫(yī)護(hù)人員和病人的實時分布以圖形化的方式顯示在PC屏幕上，方便醫(yī)院的管理。同時管理主機通過發(fā)送顯示命令將醫(yī)護(hù)人員的位置信息通過走廊顯示屏實時循環(huán)顯示，使相關(guān)人員都能夠知道醫(yī)護(hù)人員當(dāng)時所在的位置（包括科室和房間位置），最有效的方便患者家屬找到相應(yīng)的醫(yī)護(hù)人員，減少相應(yīng)的尋找時間，方便醫(yī)護(hù)人員和患者之間聯(lián)系。當(dāng)病房里面的病人呼叫醫(yī)護(hù)人員的時候，基站由于前面移動分機的頻點的自適應(yīng)與最近的移動分機建立了無線通訊，優(yōu)先將患者的呼叫信息發(fā)送到該人員的移動分機上。醫(yī)護(hù)人員可通過觸摸屏對呼叫信息進(jìn)行處理；也可向醫(yī)院信息管理系統(tǒng)輸入或獲取相關(guān)的護(hù)理信息；在病房床旁通過將移動分機靠近病員腕表的方式讀取患者的身份和獲得相應(yīng)的護(hù)理信息如服藥清單、護(hù)理等級。

3 移動分機硬件設(shè)計

3.1 控制部分

在移動分機的硬件設(shè)計中，考慮到系統(tǒng)的功耗、成本及性能等要求，選擇的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F103CBT6作為移動分機的微控制器。STM32F103CBT6是一款集成了嵌入式Flash和SRAM存儲器的ARM Cortex－M3內(nèi)核。通過外部的晶振，主頻可到達(dá)72 MHz，擁有128 Kbytes的Flash容量，內(nèi)部有看門狗定時器。睡眠、停機和待機三種低功耗模式。2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、一個 USB 和一個 CAN[4－5]。

控制器主要由STM32F103CBT6和其外圍電路組成。其電路如圖 2所示， 其中 STM32F103CBT6的PA0、PA1、PA3、PB5～PB7、PB13～PB15 用作觸摸屏的控制接口 ；PA8～PA15用作觸摸屏的數(shù)據(jù)通訊接口。PC14－OSC32－IN和 PC15－OSC32－OUT擴展外部時鐘電路。STM32F103CBT6通過SPI口設(shè)置CC2500的工作參數(shù)并與CC2500通訊。

3.2 電源模塊

移動分機佩戴在醫(yī)護(hù)人員手腕上，要求輕巧且具有可移動性，故采用鋰電池作為供電。為移動分機內(nèi)置鋰電池充電采用充電管理芯片為LTC4065。LTC4065是凌特公司生產(chǎn)的一款用于單節(jié)鋰電池的完整恒定電流恒定電壓線性充電管理芯片，可提供高達(dá)750 mA且準(zhǔn)確度為5%的可設(shè)置的充電電流[6－7]。 在圖 3所示電路中，將VDD直接接至 LTC4065，為鋰電池充電。鋰電池通過一個穩(wěn)壓芯片HT7330為單片機和觸摸屏等工作電路提供穩(wěn)定的電源。BZ為蜂鳴器，起到鋰電池電量過低需要充電池時的提醒作用。

圖2 單片機外圍電路原理圖Fig.2 Schematic of the circuit single-chip microcontroller

3.3 射頻模塊

圖3 電源模塊原理圖Fig.3 Schematic of the power module

考慮到功耗、傳輸速率、芯片成本和信號強度等因素，特別是不能干擾像醫(yī)院心電圖等醫(yī)療器械的信號，采用的是TI公司的無線收發(fā)芯片CC2500作為無線模塊控制器。CC2500是TI公司推出的一款低成本、低功耗、體積小的2.4G無線頻段的收發(fā)器，工作頻率為400～24 803.5 MHz。RF收發(fā)器集成一個數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到500 kbit/s的高度可配置的調(diào)制解調(diào)器和一個64位傳輸/接收FIFO。CC2500的寄存器配置可通過SPI接口控制。它具有監(jiān)聽和休眠模式，可無線喚醒[8-9]，非常適合低功耗的應(yīng)用。

移動分機設(shè)計中，實際采用云寶電子科技有限公司在TI公司的CC2500收發(fā)器上開發(fā)的包含天線、外圍濾波和匹配網(wǎng)絡(luò)等的射頻集成模塊。該模塊具有低電流損耗，發(fā)射電流11 mA到21 mA軟件可調(diào)，接收電流15 mA，休眠電流小于500 nA，同樣可通過4線SPI控制通訊。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是利用Keil uVision4軟件在STM32庫3.5版本上編寫的C程序，編譯后通過SWD的方式下載到MCU中去[10]。STM32庫3.5版本是ST公司針對STM32提供的函數(shù)接口，開發(fā)者可以直接調(diào)用庫函數(shù)配置STM32的寄存器。圖4為基站輪詢移動分機的流程圖，圖5為移動分機主程序流程圖。

4.1 基站輪詢軟件設(shè)計

基站對移動分機輪詢的目的是將與基站相連的同一個頻點的移動分機所代表的佩戴人員的工號記錄下來，結(jié)合基站所在的位置，生成輪詢對象表（輪詢對象表包含移動分機地址與綁定人員工號，上次輪詢該移動分機的基站地址，輪詢標(biāo)志），上傳給管理主機，將人員相對坐標(biāo)定位在相應(yīng)的病區(qū)房間，以圖形化的形式顯示在護(hù)士站電腦上和實時發(fā)布在走廊顯示屏上面。具體的程序流程如圖4。當(dāng)管理主機向基站下發(fā)輪詢指令和輪詢對象表。基站按順序讀取輪詢對象表，若移動分機輪詢結(jié)果標(biāo)志為成功，可以用回應(yīng)、請求、數(shù)據(jù)包等信息代替標(biāo)準(zhǔn)輪詢指令發(fā)送給輪詢對象。若移動分機輪詢結(jié)果標(biāo)志為失敗，則需發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)的輪詢指令。判斷是否響應(yīng)超時，響應(yīng)為超時則直接更新輪詢標(biāo)志為失敗。如響應(yīng)沒有超時，判斷是否正常響應(yīng)，響應(yīng)為正常響應(yīng)則記錄回應(yīng)信息，若響應(yīng)對象回應(yīng)的為暫停輪詢信息，則需再等待一個響應(yīng)周期，仍然超時則直接更新輪詢標(biāo)志為成功，反之記錄相應(yīng)的回應(yīng)信息。最后上報管理主機更新輪詢對象表，完成一次輪詢，也完成了一次人員相對坐標(biāo)的定位。

圖4 基站輪詢程序流程圖Fig.4 Flow chart of the base station polling program

4.2 移動分機軟件總體設(shè)計

移動分機利用CC2500射頻模塊實現(xiàn)無線呼叫和無線通話。無線定位取決的是基站對移動分機輪詢的結(jié)果反饋。移動分機的軟件總體流程如圖5所示。MCU和CC2500初始化后，控制器發(fā)出指令使CC2500循環(huán)檢測周圍的無線信號強度，選擇最強的信號作為自身的無線信號頻點。檢測與相連的基站是否發(fā)來輪詢請求指令，若有請求指令則看自己是否有請求或者數(shù)據(jù)需要發(fā)送，有則以請求或者數(shù)據(jù)信息作為回應(yīng)；否則回應(yīng)包含自身地址和所代表的佩戴人員的工號信息的空信息。值得說明的是移動分機每一個信息都包含自身的地址和所佩戴人員的工號信息。若無輪詢請求指令，則看是否有數(shù)據(jù)通信請求，若有則進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。沒有與進(jìn)行完一次完整數(shù)據(jù)通信的均返回到前面檢測周圍最強的頻點，重復(fù)上述過程。

圖5 移動分機程序流程圖Fig.5 Flow chart the mobile extension

5 結(jié) 論

實驗表明，該方案能有效的實時地檢測到醫(yī)護(hù)人員的位置，包括科室和房間位置。當(dāng)醫(yī)護(hù)人員離開原來的病房進(jìn)入另外的病房時，由于采用基于接收信號強度（RSSI）最強的頻點自適應(yīng)的方式，保證每個移動設(shè)備都能與自己最近的設(shè)備實時通信，并且未發(fā)現(xiàn)失去聯(lián)系的現(xiàn)象。但在醫(yī)院實際應(yīng)用中，當(dāng)房間內(nèi)同時有多個佩戴有移動設(shè)備的醫(yī)護(hù)人員時，由于所有的移動設(shè)備頻點自適應(yīng)的結(jié)果，都采用同一工作頻率與房間內(nèi)的同一基站通訊，故當(dāng)多個電子標(biāo)簽同時傳輸數(shù)據(jù)就會產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突，使各電子標(biāo)簽之間的傳輸相互干擾，進(jìn)而導(dǎo)致信號丟失的現(xiàn)象，這是還需解決對問題。

[1]張立立，鐘耳龢.無線室內(nèi)定位技術(shù)[C].中國地理信息系統(tǒng)協(xié)會第八屆年會論文集，2004:966-972.

[2]段翠翠.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的化工生產(chǎn)區(qū)人員定位系統(tǒng)軟件設(shè)計[D].杭州:杭州電子科技大學(xué)，2013.

[3]曹陽，于秋則.基于RFID技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息技術(shù)，2013（7）:7-11.CAO Yank，YU Qiu-ze.Design of an indoor localization system based on RFID[J].Information Technology，2013（7）:7-11.

[4]張根寶，李秀平，龐蘇娟.基于ARM Cortex-M3便攜式智能超聲波液位計[J].儀器儀表與傳感器，2012（1）:19-20.ZHANG Gen-bao，LI Xiu-ping，PANG Su-juan.Portable and smart ultrasonic fluid level meter based on ARMCortex-M3[J].Instrument Technique and Sensor，2012（1）:19-20.

[5]李晶，李東澤，石堅.基于STM32F103的時間壓力采集系統(tǒng)[J].自動化與儀表，2013（12）:42-45.LI Jing，LI Dong-ze，SHI Jian.Time/Pressure Testing Data Acquisition System Based on STM32F103[J].Automation&Instrumentation，2013（12）:42-45.

[6]Linear Technology，LTC4065 Datasheet[R].2005.

[7]韓劉，秦燕，李鵬，等.鋰電池線性充電管理芯片LTC4065及其應(yīng)用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（6）:46-47.HAN Liu，QING Yan，LiPeng，et al.Linear charge management chip LTC4065 Lithium and Applications[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2009（6）:46-47.

[8]蒲林蒸，林東.PIC單片機控制下的無線模塊自主選頻數(shù)據(jù)傳輸[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（3）:28-31.PU Lin-zheng，LIN Dong.Independent frequency selection data transmission based on wireless module controlled by PIC MCU[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2013（3）:28-31.

[9]張穎，李凱，王建偉.一種有源RFID局域定位系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2012，20（5）:68-70.ZHANG Ying，LI Kai，WANG Wei-jian， Design of a kind of active RFID regional positioning system[J].Electronic Design Engineering， 2012， 20（05）:68-70.

[10]勾惠蘭，劉光超.基于STM32的最小系統(tǒng)及串口通信的實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2012，25（9）:26-28.GOU Hui-lan，LIU Guang-chao.Minimum system and serial communication implementation based on STM32[J].Industrial Control Computer，2012，25（9）:26-28.