基于ZigBee的无线监护网络系统设计研究

许跃武 皖南医学院弋矶山医院 （安徽 芜湖 241001）

基于ZigBee的无线监护网络系统设计研究

许跃武 皖南医学院弋矶山医院 （安徽 芜湖 241001）

介绍了一种基于ZigBee的嵌入式远程医疗监护网络系统，经过对ZigBee协议栈架构和通讯算法的研究，以ZigBee标准为基础设计了无线网络的系统结构，提出了通讯节点的硬件架构可行方案并设计了监护软件工作流程。与传统的监护系统相比，基于ZigBee的无线监护系统改善了监护环境并提高了医院的信息管理水平和工作效率，具有更好的扩展性和易于实现的特点。

远程医疗 无线通信 监护系统 ZigBee

传统的医疗监护系统大多建立在有线网络通讯的基础上，而医疗设备一般体积和功耗较大，监控数据只能在设备主机或配套工作站读取，不仅限制了被监护者的活动范围，也影响了医护人员在紧急状况下的处理，导致贻误最佳诊疗时机。医用传感器和监护仪器一般是一对一的数据传输方式，这种数据传输存在以下缺点：被检测者活动范围固定且不便移动；没有多个同类传感器的集中数据管理；监护系统缺乏扩展性；监护主机和工作站重复投入等。

近年来，随着生物医学传感器的小型化、无线通信网络和嵌入式系统技术的快速发展普及，现了多种近距离无线通信网络技术，其中低复杂度、自组织易扩展、抗毁性强、传输距离范围大的ZigBee技术脱颖而出，成为争相研究的焦点[1,2]。利用ZigBee无线多通道数据传输方式传递医疗传感器与监护控制仪器之间的信息，减少监护设备与医疗传感器之间的有线通信线缆，使被监护人能够拥有较大的活动范围。同时，在建立覆盖医院的ZigBee无线监测网络，能够极大地方便患者就诊，提高医院的信息管理水平和工作效率，同时集中管理的监测数据便于数据的储存、统计和分析。

1.ZigBee网络通信

ZigBee网络中的每一个节点（FFD/RFD）都分配有一个16位的短地址和一个64位的扩展地址。其中16位地址是在节点加入网络时自动获得，由其父节点动态分配用于路由机制和数据传输，类似于以太网中的IP地址；64位扩展地址则是每个节点设备的唯一标识，这个出厂时固化的64位地址编号类似于以太网中的MAC地址。通信时需要设置目标地址，如果是广播方式，目标地址应设成0x0000FFFF，如果目标地是协调器，目标地址应设成0x00000000。当一个设备加入网络时，首先使用其自身的64位地址进行通信，成功加入ZigBee网络后，协调器会为该设备分配一个16位的网络地址，这样新入网设备便可使用该地址与网络中的其他设备进行通信。

2.节点设计

一个典型的ZigBee节点是一个微型化的嵌入式系统，至少包括以下几个部分：电源模块，带有所需外部元件的ZigBee射频模块，天线，带有串行同步接口（SPI，Serial Peripheral Interface）的微处理器以及受微处理器控制的附加模块例如数据采集模块。ZigBee节点的构成如图1所示。

MCU通过SPI总线和一些离散控制信号与RF模块相连，MCU作为SPI主器件，RF模块作为从器件。其中MCU负责控制所在节点的各种处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理等，最主要的是实现IEEE802.15.4 MAC层和ZigBee协议层；RF模块负责与其他节点进行通信，交换控制消息和收发数据，为IEEE802.15.4的数据帧格式提供硬件支持；MCU通过接口与各种附加模块相连，如协调器中与上位机通讯的RS232接口转换网关模块、终端监护设备中用于测量血氧、脉搏、血压和血糖等各种医疗传感器模块以及A/D转化器、键盘、信号指示灯等模块。

供电模块可以根据系统中使用需求选择电池或AC-DC电源。终端节点不发送数据时可以休眠，在休眠唤醒后根据其存储区中保存的关系列表查找父节点，除非因网络结构变化等找不到父节点的情况下才会重新搜索加入网络，因此工作间隙时间长功耗低，适合采用电池供电；协调器和协调器附近的路由器作为无线网络中通讯频繁的关键节点，不可休眠，可根据情况选用DC电源供电，以避免关键节点能量消耗过快导致网络瘫痪。天线可由PCB上的引线形成或选用单极天线。

ZigBee节点中的射频模块可以选用完全符合IEEE802.15.4标准与ZigBee规范的Helicomm的IP_ Link1270、Freescale的 MC13191/13192/13193、Microchip Technology的MRF24J40、Texas Instruments的CC2420/2430等。微处理器可以选用Freescale公司的MC9S08GT60、Motorola的GT16/32/60、Atmel的ATmega 128RFA1等。此外，不少厂商也推出了Zigbee的产品和全套解决方案，提供Z-stack等开发工具和源代码。

3.监护管理软件设计

监护软件是为医疗监护系统开发的专用软件，并与医院的信息系统HIS通过软件接口相连接。监护软件可运行在医院集中监护中心、各病区监护站、协作关系的地方医院和小区医疗所监护站，软件流程框图如图2所示。

图2. 监护软件流程框图

程序运行时在指定的端口进行监听，对监护列表内某个监测仪器发出连接请求时，按医护人员设置自动选择是否同意建立连接；或者由医护人员对监护列表内某个监测仪器发起连接要求，监测仪器回复响应后建立连接。其连接建立后，医护人员所在监护端和患者所在仪器端开始通讯，通过与受监护者一一对应的仪器ID得到患者身份信息，监测数据在监护端分类实时显示数值、图像、波形等，根据软件预设值，对异常数据报警，医护人员可对动态的图像波形进行截取并保存在本地。通过与HIS相连，医护人员可以随时查阅患者的病历资料等各种相关信息，以便快速准确做出判断。同时，接收的监测数据在监护系统服务器上存档形成完整的患者监护资料。为了便于监护中心和各监护站之间的沟通，软件应具有电子白板功能，对医护人员截取标注的有医疗价值的数值、图像等在不同的监护点之间方便的传输共享，这样就极大提高了监护水平和效率。

当协作关系的地方医院和小区医疗所监护站发起远程协助请求时，通过Internet网络，监护中心软件与其建立连接，并将历史监控数据、诊断记录、患者信息等传送到监护中心，同时，实时的监测数据在两地的监护点上显示，监护中心为其提供高水平的监护指导和监测报告，使患者得到更好的监护，也提高了地方医疗机构的监护水平。

4.结论

通过对ZigBee这种低成本、低功耗、易维护、易扩展的无线通讯标准的研究，规划了满足医疗监护设备数据传输需要的网络通讯方案，经过对IEEE 802.15.4和ZigBee协议的研究，设计了一个微型化的嵌入式系统节点模块，特别对应用广泛的射频CC系列芯片进行了研究，提出了硬件架构可行方案，最后简要设计了监护软件的初步流程。

在本设计的基础上，还可以考虑将ZigBee无线网络和院内有线网络结合，以及基于射频通讯对院外社区、家庭用户、急救车等被监测对象的通信方案，覆盖完整并兼顾院外的远程监护网络通信系统是值得进一步研究的课题。

[1] 王玲玲, 卢云, 徐民, 等. 远程医疗信息系统的设计[J]. 中国医疗设备, 2013,28(8):115-117.

[2] 彭胜华, 余晓锷, 赖胜圣. 基于GPS和GPRS远程医疗监护报警系统的设计[J]. 中国组织工程研究, 2012,16(13):2328-2331.

Research on Wireless Monitoring Network System Design Based on ZigBee

XU Yue-wu Wannan Medical College Yijishan Hospital (Anhui Wuhu 241001)

1006-6586(2017)11-0040-02

TN923

A

2017-04-28