引言
目前中國國內的醫院病房監護系統，基本上還是通過有線方式向監護中心傳遞數據，需要布線，要進行穿牆或過天花板，工作繁瑣，且無法自由移動和擴充，不便於維護，特別是在緊急情況下，線纜可能影響及時救治。比如病房裡的呼叫系統都是通過有線的方式連接到護士監控中心，呼叫按鈕裝置在病房的牆上，緊急情況下病人可能無法按動呼叫按鈕而引發危險事故。
尤其是人工測量患者體溫，不但增加了醫護人員的工作量，還影響病房病人的恢復休息，也不便於對病人生命體徵信息的統計。所以研製開發低成本、低功耗、高可靠性、易擴展、配置靈活的無線病房監護系統就具有普遍的意義和現實的價值。
1 短距離無線通信基礎
為實現無線節點、路由器之間的互通，必須要有相應統一的無線網絡通信標準。目前熱門的短距離互聯技術有：
ZigBee、超寬帶(UWB)、藍牙(Bluetooth)、無線區域網(Wi-Fi)、近距離無線傳輸(NFC)。其中ZigBee 是一種適合於近距離、低複雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術，主要用於近距離無線連接，它依據IEEE802.15.4 標準，在數千個微小的傳感器節點之間相互協調實現通信，這些傳感器節點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳節點到另一個傳感器節點，其通信效率很高，相對於現有的各種無線通信技術， ZigBee 技術將是最低功耗和成本的技術， 其出發點就是實現一種易實現的低成本無線網絡，為實現無所不在的網絡創造了條件。
以測量患者體溫和所在病房室內溫度為例，提出了一種基於ZigBee 協議的無線傳感器網絡病房監護系統解決方案，可實時監測患者體溫、病房環境溫度參數和患者的求助呼叫信號，同時可以對病人實現房間級的定位，監測數據通過無線方式傳輸到監護中心進行分析。
2 系統整體架構
整個系統由終端節點、路由節點、網關控制器(Gateway)和網絡主機伺服器(包括WEB 伺服器和資料庫伺服器)組成，其中路由節點是全功能設備(FFD)，終端節點是精簡功能設備(RFD)。其系統架構如圖1 所示。終端、路由、網關組成底層ZigBee 網絡，組網方式採用樹狀網絡，路由節點和終端節點之間通過紅外技術實現患者房間級定位。終端節點負責採集患者體溫數據，傳送患者呼叫信號，信息通過路由節點中繼到網關。網關為一嵌入式WEB 伺服器，其負責連接遠程Internet 主機伺服器和底層無線傳感器網絡，承擔著底層 802.15.4 協議和高層Internet 協議轉換功能，採用TCP/IP 協議將數據實時存入Intranet 網絡的資料庫伺服器。
伺服器端採用基於網絡的管理平臺，醫生和值班護士通過PC或PDA 等設備，以WEB 瀏覽器方式查看實時數據和查詢資料庫中的歷史數據，及時做出診斷。
4.1 終端節點設計
本系統的ZigBee 模塊選用TI ZigBee SoC 晶片CC2430,片上集成高性能8051 內核、ADC、USART 等，兼容ZigBee 規範。這是一個方便用戶實現高性價比、高集成度的ZigBee解決方案。
終端節點如圖2 所示，CC2430 為終端節點的中心控制模塊，控制所有外圍設備。傳感模塊採集患者體溫，紅外接收模塊用來接收路由節點發送的位置識別碼(如病房號)，終端節點在發送數據時把該位置識別碼連同節點的ID 號一同傳送出去，以實現房間級定位。由於終端節點採用電池供電，為節省能量，當節點不需要向外發送數據時，關閉紅外接收功能。液晶模塊選用3 位8 欄位式液晶模塊，用於顯示所測量的患者體溫信息。
終端節點亦可當作一個獨立的數字溫度計使用。按鍵和LED 模塊用於緊急呼叫，病人需要護士的幫助時，按節點上的呼叫按鈕即可向護士值班中心發送呼叫信號，呼叫信號連同患者的位置信息和患者所帶節點ID 一同傳送到護士值班中心。若呼叫信號發送失敗，則紅色LED 燈閃爍，患者可重新呼叫;若呼叫成功，則節點上紅色LED 長亮，直到護士值班室響應請求信號後，紅色LED 燈熄滅，綠色LED 燈閃爍，等待護士到來後再次按下呼叫按鈕，綠色LED 燈熄滅。
4.2 路由節點設計
路由節點結構如圖3 所示，其功能是發送參考位置識別碼，轉發終端和其他路由節點的數據。路由節點採用市電經電源降壓轉換成直流後供電，其紅外發射模塊受處理器控制，不停向外發射一個位置識別碼信息(預先設定好)，由於紅外線信號不會穿透房間裡牆壁、天花板等障礙物，但在發射過程中，信號會在任何物品上發射，因此，只要終端節點位於發射範圍內，且沒有被不透明物體完全遮蓋，那麼終端節點就能接收病房內路由節點發出的紅外線，而不會接收隔壁病房內路由節點發射的紅外信號，這樣就能準確確定患者的位置信息。在病房外的走廊等其他位置裝上這種路由節點後，即使患者在病房外也能準確確定患者所在位置。傳感模塊用來監測環境溫溼度和煙霧信息，在患者所在環境不適合患者時能及時採取措施，同時還兼具火災報警的功能。
4.3 網關控制器節點設計
網關由控制模塊、ZigBee 模塊、TCP/IP 模塊、觸控螢幕模塊、存儲模塊、電源管理模塊、自定義鍵盤和蜂鳴器模塊，硬體架構如圖4 所示。
控制模塊由ST 公司的ARM9 處理器STR912 和外圍電路構成。STR912 可達到96 MIPS 的峰值性能。在ARM966E-S 內核裡能夠執行單周期的DSP 指令，同時配備了乙太網、USB和CAN 總線接口，內置高達544 KB 的Flash、96 KB 的SRAM。
這些外設使STR912 成為一個將嵌入式應用連接到本地區域網或者網際網路的理想單晶片解決方案。網關上的ZigBee 模塊(ZigBee Coordinator)起ZigBee 網絡的協調器作用，在控制器的控制下，負責組建、管理整個ZigBee 網絡，接收ZigBee 網絡數據，通過串口傳給主控制器，主控制器將數據轉換成TCP/IP 協議格式的數據，通過路由器，接入到Intranet網絡，向Intranet 網絡內的資料庫伺服器實時傳送數據，控制器內嵌入WEB 伺服器，監控端用戶可以直接登錄到嵌入式WEB 伺服器查詢實時數據，發送控制命令，也可通過Intranet網絡登錄到主機伺服器查詢歷史數據。查詢工具可用有WEB瀏覽器的PC 機或是PDA 等設備。存儲器模塊是用來作為數據緩存，以防Intranet 網絡不穩定時，能將ZigBee 網絡轉發來的數據及時存儲，以防數據丟失，Intranet 網絡穩定後再將數據傳送感到資料庫伺服器。網關控制器布置在護士監護中心，當有患者呼叫時，蜂鳴器發出呼叫信號，同時顯示發出呼叫信息的患者位置等信息，值班護士確認後蜂鳴器關閉，同時向發出呼叫的患者節點發送確認信息。護士趕到患者病房後關閉患者節點的呼叫等待狀態。
4 系統軟體平臺架構
系統使用IAR Embedded Workbench 平臺，在TI 公司開發的Z-Stack 協議棧基礎上，根據本系統需要裁剪修改協議棧，定製應用程式下載到節點模塊。網關模塊通過裁剪移植μC/OS-II 作業系統，通過在μC/OS-II 上移植TCP/IP 協議棧LwIP，利用μC/GUI 作為圖形界面設計工具，使用EasyWEB-API 實現一個動態的HTTP-Server 頁面，實現嵌入式web伺服器定製和動態交互網頁設計。通過TCP/IP 模塊，將網關節點數據傳送到基於網絡管理平臺中的資料庫中。
基於網絡的管理平臺採用B/S(Browser/ Server)結構，客戶端只需裝有Web 瀏覽器即可，伺服器端連接客戶端和數據伺服器，負責處理來自瀏覽器用戶的請求。資料庫伺服器保存系統數據，實現數據的定義、維護、訪問、更新及管理，並響應伺服器的請求[5]。採用SQL SERVER 2005，利用ADO.NET技術將數據存儲到資料庫中。遠程WEB 伺服器使用微軟的ASP.NET 技術開發了基於B/S 架構的數據管理服務軟體。整個管理軟體分為前臺頁面和後臺管理兩大模塊，前臺頁面主要實現了用戶可視化管理，方便用戶隨時查看、統計數據。
後臺管理主要有3 大模塊：①終端節點信息與患者信息的綁定與刪除;②路由節點信息與病房號綁定與刪除;③管理系統的維護。Intranet 用戶通過授權可以查看訪問WEB 伺服器查看病人信息。Intranet 網絡通過防火牆和外部Internet網絡相連，這樣外網用戶只要可以接入Internet 網絡，通過授權就可以訪問醫院內部的網絡數據。
5 結語
針對目前醫院監護系統的局限，提出了一種基於ZigBee 和紅外技術的監護系統設計，包括系統架構、節點硬體及軟體設計。方案基於無線網絡方式，實現了內部網絡與Intranet 網絡的互聯，同時具備遠程監控功能。在後續的工作中將進一步擴展終端節點的功能，如能夠同時測量除體溫以外的其他體徵參數，進一步提高系統的性能與穩定性。