基于ZigBee的医院实时定位系统的设计与实现

于树科+祁宏宇

摘要：随着医院信息化管理的不断发展和完善，对病人、医生、护士、管理人员和重要仪器设备的实时定位的需求也就显得越来越迫切，构建智能化医院已经成为当前的发展趋势。本设计基于ZigBee技术来实现人员和设备的实时定位，大大提高了急诊室、病房的使用率和设备的利用率，具有很强的实用性。

关键词：ZigBee；实时定位；物联网；医院

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）28-0271-02

ZigBee技术是双向无线通讯技术，特点是短距离、低复杂度、低功耗、低速率和低成本 [1]，可工作在三个频段，包括2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行），传输速率最高可达到250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s [2]。由于ZigBee技术的传输速率非常低，发射功率也只有1mW，并且使用了休眠模式，因此ZigBee的设备很省电。

ZigBee协议的网络层支持三种拓扑结构：星型（Star）结构、网状（Mesh）结构和簇树型（Cluster Tree）结构[3]。星型网络可提供很长时间的电池使用寿命。网状网络可有多条传输路径，它具有较高的可靠性。簇树型网络结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。ZigBee设备按功能可分为协调器、路由器和终端节点。协调器的作用是启动网络初始化、规划网络节点和存储各节点信息，路由器的作用是管理每对节点的路由信息，终端节点是网络中的根节点，可以是任意类型的终端设备。

1 系统方案设计

智能化医院实时定位系统包括人员腕带终端、ZigBee节点、ZigBee到Wi-Fi转换器、监管人员智能终端、无线路由器、ARM控制网关、服务器和管理软件等，能够实现人员实时定位，人员实时呼叫，重症病人身体状况实时监测和报警，贵重（危险）物品实时监测和报警等功能（如图1所示）。

2 系统硬件设计

本设计硬件包括ZigBee节点（CC2530）和ARM控制网关等设备，将病人、医生、护士、管理人员和便携式仪器设备设计移动的ZigBee节点，路由器（ZigBee协调器）设计成固定的ZigBee节点，ARM控制网关设备要有ZigBee节点和ZigBee到Wi-Fi转换器。

2.1 ZigBee节点

在本设计中，ZigBee节点选用CC2530芯片[4]，以此来搭建医院的实时定位网络。CC2530结合了RF收发器的良好性能，行业标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和其他众多的功能。CC2530拥有多种运行模式，能够适应极低功耗需求的系统。快速切换的运行模式也能够进一步降低了能源消耗。CC2530芯片特性具有强大的地址识别、数据包处理引擎、射频特性和低功耗特性，具有很强大的网络节点功能，适应2.4GHZ的IEEE 802.15.4的RF收发器；极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达4.5dBm；在无外加功放且电路完全匹配的情况下，通信距离可达百米以上；电源电压范围为2 ～ 3.6 V，最低工作电压仅需2 V，且具有4 种电源运行模式，转换时间短，非常适合需要超低功耗运行的系统。

2.2 ARM控制网关

在本设计中，ARM控制网关使用samsung公司的S5PV210 处理器。S5PV210处理器配备了ARM CortexTM-A8内核，ARM V7指令集，主频可达到1GHZ，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可实现2000DMIPS（每秒运算2亿条指令集）的高性能运算能力；S5PV210具有很多强大的硬件编解码功能，内建MFC（Multi Format Codec），支持MPEG-1/2/4，H.263，H.264等格式视频的编解码，支持模拟/数字TV输出。JPEG硬件编解码，最大支持8000x8000分辨率，内建高性能PowerVR SGX540 3D图形引擎和2D图形引擎，支持2D/3D图形加速。同时还具有1080P高清解码引擎，能够输出1080P/30fps的高清视频，带有HDMI 1.3输出，可以将高清视频输出到外部显示器上；S5PV210处理器具有丰富的外围接口。

在本设计中，ARM网关采用了如下模块：电源管理模块、复位电路模块、调试电路模块、存储模块、以太网模块、USB接口模块和串口模块。报警器、协调器和摄像头等通过USB和串口来扩展。

3 软件设计

3.1 定位原理

CC2530芯片的硬件定位引擎与软件的定位方法相比，有明显的优势，比如高速、精准，不占用处理器时间等[5]。该硬件定位引擎的主要工作原理如下：确定3～8个参考节点，采集数据，并使用这些数据计算出定位的位置，可保证达到耗时少于40μs，定位范围在64m内，定位偏差低于3m；如果参考节点达到8个以上，则将参考节点的位置进行分类，采用 8个参考节点中信号最强的 RSSI 值。

CC2530芯片的定位引擎一般采用分布式计算方法，该方法依据距离最近的参考节点（其位置是已知的）接收到的信息，对节点进行本地计算，确定待测节点的位置。因此，待测节点范围中节点的数量将决定网络的流量。

在节点上采用分布式定位计算，可有效地避免集中计算可能带来的海量网络传输与通信延迟问题。定位节点的工作原理如图4所示。

定位引擎能够实现ZigBee 网络射频的精确性，并且功耗很低，通信开销也能够达到最小化。另外，定位引擎技术还能利用现有的 ZigBee 基础设施来确定其在网络中的位置。

3.2 系统需求分析

软件的主要功能需求如下：

1）上位机软件自动实时扫描TCP/IP端口或RS232串口采集下位机发送上来的数据以及发送控制命令。

2）管理人员需要监控软件使用人员需要可视化模拟实时显示定位状况和传感数据的动态曲线图。

3）管理人员实时查看医生、护士、病人的可视化定位。

4）管理人员对医生、护士、病人及时呼叫与简讯互发。

5）管理人员可视化贵重（危险）设备物品位移报警与传感门限参数预警。

6）医生可视化病人身体携带的健康照顾传感数据及门限参数报警。

7）管理人员可视化移动人员或物品实时搜索定位。

8）权限管理人员分配不同权限于不同的管理员。

4 结束语

经过系统设计、软硬件测试和和系统功能测试，本系统较好地实现了病人、医生、护士、管理人员和重要仪器设备的实时定位，能够提高急诊室、病房的使用率和设备的利用率。本系统布局方便，安装简单，并且成本很低，可考虑应用到智能家居、人员监控和危险品监控等领域，有较好的前景和市场。

参考文献：

[1] 瞿雷，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 郭渊博，杨奎武. ZigBee技术与应用-CC2430设计、开发与实践[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3] 葛晓宇，王庆辉， 魏立峰.ZigBee技术及其在矿山中的应用[J].微计算机信息，2007（14）：44-45.

[4] 王宇楠，黄继伟.基于物联网的仓库监控系统设计[J].物联网技术，2016（6）：16-18.

[5] 王玉柱，郑文岭，马文丽，梁斌. 基于ZigBee的医院病人追踪定位系统设计[J].微计算机信息，2010（2）：55-56.