彭曉宇 杜露露 謝 揚

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院

0 引言

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展和醫(yī)療改革的不斷深入，傳統(tǒng)的醫(yī)療工作環(huán)境和方式已經(jīng)無法滿足醫(yī)院的發(fā)展需要，也不能滿足日益增長的服務(wù)需求。因此，當前越來越強調(diào)通過技術(shù)手段來提高醫(yī)療水平和醫(yī)療效率，滿足公眾對醫(yī)療現(xiàn)代化的基本需求，使醫(yī)院為公眾提供更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。本文提出了一種成本低、功能較完善且技術(shù)含量高的無線病房呼叫系統(tǒng)?；谧戏鋮f(xié)議（ZigBee），可以實現(xiàn)病人對護士的呼叫，管理中心對護士的管理以及存儲病人的呼叫信息。不僅醫(yī)院可以更大程度地提高服務(wù)質(zhì)量及工作效率，還可以通過更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)吸引患者，提高自身競爭力。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

1.1 硬件電路設(shè)計

本文設(shè)計的醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)大體分為3個部分：（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件，使用TI公司的CC2530單片機，主要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸，包括病人的呼叫信息、護士的確認服務(wù)信息以及電量監(jiān)測信息。（2）ESP8266WiFi模塊，主要完成對ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)發(fā)功能。（3）Web客戶端監(jiān)控終端，主要處理由ESP8266WiFi模塊發(fā)送到Internet的數(shù)據(jù)并顯示，達到監(jiān)控的目的。處理系統(tǒng)研究框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)研究框架

1.1.1 病人、護士節(jié)點設(shè)計

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530F256芯片，自行設(shè)計了病人節(jié)點和護士節(jié)點，為病人設(shè)計3個功能按鍵，其中1個用作呼叫，保留1個按鍵留作后續(xù)的程序開發(fā)；為護士設(shè)計了2個

功能按鍵、1個震動馬達和1個蜂鳴器，其中1個按鍵用作切換呼叫方式，1個按鍵留作后續(xù)的開發(fā)，同時，為護士節(jié)點設(shè)計了1個LED指示燈，用于功能指示。

1.1.2 協(xié)調(diào)器電路設(shè)計

協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)中樞，主要執(zhí)行ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和維護，并控制節(jié)點的加入、數(shù)據(jù)分析處理及轉(zhuǎn)發(fā)；其液晶實時顯示收到的無線數(shù)據(jù)，便于觀察。該協(xié)調(diào)器在使用CC2530射頻功能的基礎(chǔ)上增加了串口功能，用于測試串口數(shù)據(jù)，ESP8266WiFi模塊直接和cc2530串口相接。其原理如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器設(shè)計原理

1.2 路由器電路設(shè)計

路由器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)消息轉(zhuǎn)發(fā)的樞紐，病人節(jié)點、護士節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間由于數(shù)據(jù)傳輸距離的限制，在相距較遠時無法直接完成數(shù)據(jù)交換，需要通過路由器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。為了有效增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，路由器設(shè)計了功率增強模塊，提升了數(shù)據(jù)發(fā)射的功率，有效解決了數(shù)據(jù)傳輸距離的問題。功率增強模塊電路設(shè)計原理如圖3所示。

圖3 路由器設(shè)計原理

1.3 軟件設(shè)計

1.3.1 Z-Stack軟件流程設(shè)計

完整的Z-Stack工作流程可包括啟動系統(tǒng)、初始化驅(qū)動、初始化OSAL。系統(tǒng)在帶電工作后，首先執(zhí)行Zmain，并運行main函數(shù)ZMain.c，此時系統(tǒng)恢復到初始化狀態(tài)。當初始化狀態(tài)改變后，函數(shù)osal_start_system（）開始運行，OSAL系統(tǒng)同時工作。為了保證每個任務(wù)部署完成，務(wù)調(diào)度函數(shù)要完成優(yōu)先級檢測。在準備任務(wù)完成后，調(diào)用函數(shù)tasksArr[]對當前事件進行運行及處理，并重復運行次過程，指導所有的準備工作都確認執(zhí)行完畢。當列表中的任務(wù)為空時，處理器切換至休眠待機狀態(tài)，從而達到降低能耗損失的目標。執(zhí)行任務(wù)OSAL分兩個過程：（1）分配初始化的內(nèi)存占用空間和選擇特定的標識號；（2）使用函數(shù)ApplicationName_ProcessEvent進行事件處理。最后，通過函數(shù)voidosalTaskAdd（）實現(xiàn)任務(wù)增加。

1.3.2 ESP8266WiFi模塊程序設(shè)計

本系統(tǒng)采用Qt語言開發(fā)。Qt是一門跨平臺的語言，在嵌入式領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。此客戶端程序主要分為兩個部分：網(wǎng)絡(luò)通信和設(shè)置WiFi連接。網(wǎng)絡(luò)通信就是UDP協(xié)議的Socket，運行客戶端時，先建立一些必要的信號與槽的連接，再等待用戶設(shè)置串口、連接WiFi以及目標機的IP地址。設(shè)置完成后，定時每隔100 ms讀取一次8266模塊數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過Socket轉(zhuǎn)發(fā)到Internet網(wǎng)絡(luò)。

2 測試結(jié)果分析

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離測試

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信中的護士節(jié)點和病人節(jié)點通信距離測試的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離測試

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信距離測試數(shù)據(jù)分析：通信距離的長短主要受天線設(shè)計的影響，現(xiàn)有設(shè)備的節(jié)點通信測試距離一般維持在32 m，雖然通信距離亟待提高，不過該距離已經(jīng)能夠基本滿足自身系統(tǒng)的使用需要，此外，本課題還設(shè)計了路由器的功率增強模塊，將其作為通信樞紐，可以進一步延長ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋距離。

2.2 節(jié)點使用時間測試

護士節(jié)點、病人節(jié)點在使用時間改變情況下的測試數(shù)據(jù)（測試時沒有關(guān)閉液晶屏幕背光，沒有開啟省電模式）如表2所示。

表2 節(jié)點使用時間測試

節(jié)點使用時間的數(shù)據(jù)分析：當前護士節(jié)點數(shù)據(jù)測試使用的鋰電池容量為200 mA時，病人節(jié)點鋰電池容量為80 mA時。電池使用電商平臺統(tǒng)一采購，無法確保做工是否完全符合統(tǒng)一的要求，但從實際數(shù)據(jù)測試結(jié)果來看，病人的節(jié)點功耗應(yīng)該與護士節(jié)點的功耗大致相同，均在16 mW左右。從使用時間上來分析，病人節(jié)點的使用時間跟護士節(jié)點使用時間明顯跟電池容量不成比例?？梢源_定的是，護士節(jié)點使用的鋰電池容量可能不達標，導致使用時間太短。研發(fā)團隊準備后期使用1.5 V的干電池來測試，作為參考時間。

3 結(jié)語

本文針對當前醫(yī)院廣泛采用的有線式呼叫系統(tǒng)存在的弊端，考慮到系統(tǒng)本身存在數(shù)據(jù)傳輸損耗、成本過高等特性，基于醫(yī)護人員及病人的訴求分析，制定更具針對性的基于ZigBee技術(shù)的無線醫(yī)院病房呼叫系統(tǒng)設(shè)計方案。該方案采用CC2530F256“單SOC”芯片，對系統(tǒng)軟硬件進行整合設(shè)計，從驅(qū)動層到應(yīng)用層整體實現(xiàn)各個模塊的功能，最后通過無線通信技術(shù)ZigBee將信息傳輸至信息中樞，實現(xiàn)上下層網(wǎng)絡(luò)間的實時數(shù)據(jù)交換及監(jiān)測。本方案還進行了大量的實驗測試，結(jié)果顯示，該方案可靠性高、工作穩(wěn)定，能實現(xiàn)無線病房呼叫管理系統(tǒng)的預期目標，具有一定的應(yīng)用價值。