基于Zigbee的放疗室呼叫系统设计

新疆医科大学第一附属医院 放疗科，新疆 乌鲁木齐 830054

基于Zigbee的放疗室呼叫系统设计

杨玉刚，尚革，束铭洋

新疆医科大学第一附属医院 放疗科，新疆 乌鲁木齐 830054

本文设计了一种基于Zigbee技术的放疗室病人无线呼叫系统。系统硬件使用片上系统CC2530芯片设计；程序使用TI公司的Zstack协议栈实现组网、中继、通信等功能。该系统的开发具有低成本、低功耗、低复杂度，无需布线等优点。

放疗呼叫系统；CC2530芯片；Zigbee技术；呼叫报警器

0 前言

放疗是癌症三大治疗手段之一。它用X线、γ线、电子线等放射线照射肿瘤，是抑制和杀灭癌细胞的一种治疗方法[1]。对癌症虽是一种有效的治疗方法，但放疗会产生放射性皮炎、放射性食管炎以及食欲下降、恶心、呕吐、腹痛、腹泻或便秘等诸多毒副反应，使患者饱受痛苦。在放疗过程中，放疗病人都是被特殊的固定装置固定好体位，使患者无法自由移动体位。特别是一些特殊患者，如喉癌患者，在放疗的过程中肢体固定，气管切开，无法发声。在放疗过程中感到不适或痰液堵塞气管时，就需要一种能够及时方便呼叫工作人员的设备。其次，新疆是一个多民族聚居的地方，包括47个民族。其中，维吾尔族是主体民族，人数占全区人口的47.5%；而汉、哈萨克、回、蒙古、柯尔克孜、锡伯、塔吉克、乌孜别克、满、达斡尔、塔塔尔、俄罗斯等12个民族在新疆也有较长的居住历史。新疆主要的13个民族，各民族语言不同，文化教育相对有差异，因此患者和工作人员用语言沟通比较困难。本文提出的放疗室呼叫系统主要就是针对于这种实际情况而设计，以方便放疗患者在身体不适时能够及时地呼叫工作人员，使其得到快速处理，从而减轻患者痛苦和防止意外事件的发生。

1 Zigbee技术简介

为了减少重新布线的成本和工作量，本文设计的放疗室呼叫系统采用了Zigbee技术。Zigbee技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议定制的一种无线技术规范。该技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术[2]。在无线数据传输及互联网领域有及其广泛的应用前景和实用价值。一般情况下，Zigbee传输距离通常为几十米，通过功率放大可以使传输距离达到数千米。另外，由于Zigbee中的设备使用了16位地址码，从理论上说可以扩展多达65535个无线模块，它们可以共存于同一个Zigbee网络中，这个网络内的每一个Zigbee节点之间都可以互相收发数据，而且可以指定向某一个节点或者协调器发送数据，由Zigbee网络自动选择最佳路由，因此，数据能够可靠的传输到目标节点。

本系统工作于2.4GHz的医疗与无线电爱好者开放频段，使用无需申请。系统具备中继和自动选择路由的能力，因此，患者发出的呼叫信息能够及时地发送到工作人员和放疗操作室，从而让患者得到及时的处理。

2 呼叫系统硬件设计

系统由一个Zigbee协调器、若干中继路由器、多个终端呼叫器以及呼叫报警器构成。其中，协调器负责启动整个网络，它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络，一旦网络启动完成，协调器的工作就充当路由器的角色。路由器负责网络的中继和转发功能，它的上端可以连接协调器，下端可以连接终端节点，平级还可以连接与它同一级别的协调器，用以扩大网络的覆盖范围[3]，很好地解决了放疗机房屏蔽的问题。除此之外，路由器本身也可以作为终端节点的功能来使用。呼叫器和呼叫报警器属于Zigbee网络中的终端设备。呼叫器用于病人在感到不适时向工作人员发出求助信息；而报警器由工作人员随身携带，随时都可以接收到病人发来的求助信号，并可以及时处理特殊情况。

整个呼叫系统使用对等网络拓扑结构，在对等网络结构中，每个设备可以和任何在其范围内的所有设备进行通信。在本系统中，对网络中的设备做了一定的限制，使得呼叫器只能和报警器之间进行通信。系统结构，见图1。其中，C负责启动网络，在启动网络之后，它所扮演的角色也就结束了；R表示为协调器；D表示医技护工作人员；P表示患者。在该网络拓扑结构中，网络中的任何一个节点都可以作为路由器，Zigbee网络会自动选择合适的路由，将数据准确无误的发送到指定的接收节点。

图1 呼叫系统网络拓扑结构图

在本系统中，网络中的设备使用TI公司的CC2530芯片作为控制器及Zigbee收发器。CC2530芯片用于2.4GHz的ZigBee应用解决方案，它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530芯片结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。因此，系统中每一个节点只需要一片CC2530芯片就可辅以其他周边设备实现所需功能。系统节点结构框图，见图2。

图2 系统节点结构框图

患者呼叫器和医技护工作人员接收器均使用相同的硬件电路，减少了硬件设计的工作量，但在软件设计上有所区别，从而使其担任不同的角色。在该电路中，使用CC2530芯片作为系统控制器。该芯片内部集成了一个增强型的8051核和一个2.4GHz的无线收发核，让使用者不必去考虑射频电路部分的设计，而只需要考虑天线匹配部分即可。除此之外，系统使用电池供电，因此不得不考虑每个终端的功耗问题。首先，外部电路要增加电池电量监测电路，从而使得系统供电不足时能够提示用户更换电池。其次，在考虑系统性能的同时，为了降低功耗，系统使用了32MHz的高速晶振和32.768kHz的休眠时钟，由于该设备在绝大多数时候都处于睡眠状态，使用休眠时钟可以极大地降低功耗，延长电池的使用寿命；而在数据收发的过程中，系统需要快速响应，必须有高速晶振为其提供脉冲。患者通过按键向医技护工作人员发送求助信息，并等待工作人员的响应，得到响应后指示灯亮。在该电路中，天线匹配电路尤为重要，它直接影响无线信号的传输距离。因此，在布局和布线过程中，天线匹配电路需要对称，并且周围必须敷地，从而最大程度的避免接收到干扰信号。

3 软件设计

软件是基于TI公司提供的Zstack协议栈开发的，它经过了ZigBee联盟的认可，并且为全球众多开发商所广泛采用。Zstack实际上是帮助程序员方便开发ZigBee的一套系统，它采用轮转查询式操作系统OSAL。该系统提供的功能包括任务的注册、初始化、开始，任务间的消息交换、任务同步、中断处理、时间管理、内存分配等功能[4]。另外，在Zstack协议栈中，已经完成了底层硬件层、中间协议层以及高端应用层的初始化，各层具体功能，见图3。

图3 Zstack协议栈初始化完成的任务

在系统启动之后，首先会由网络中的Coordinator负责建立网络，Coordinator必须是一个全功能设备，并且是孤立设备。建立网络时，协调器首先扫描信道，在其通信范围内广播信标帧，如果没有收到返回信号，则表明该范围内没有已经存在的网络，然后自己建立一个新的Zigbee网络，等待其他节点的加入。

在本系统中，呼叫器以及报警器都属于Zigbee网络中的设备，它们都必须加入到Coordinator所建立的网络中去，成为网络中的节点。节点加入网络的过程是复杂的，首先需要发送节点加入网络请求，得到路由器的响应后，再次发送关联命令，并等待上一级的响应，最后发送数据请求命令[5]。经过3次请求才会真正加入网络，然后实现数据通信功能。该节点也具备路由器的功能，可以中继其他节点发来的数据，也可以允许新的节点的加入。Zigbee网络中的任何一个节点可以随时离开其所在的网络，从而不会影响其他节点信号的传输，保证了网络的可靠性，使得呼叫器发送的求助命令可以准确及时地发送到工作人员和操作室报警器上[6-8]。

4 结束语

本文根据新疆多民族地区和放射治疗的实际环境，结合Zigbee技术和支持Z-Stack协议的CC2530处理器设计了放疗室呼叫系统。利用Zigbee网络实现组网、数据传输、中继等功能，使得其覆盖面积达到预定的范围。该系统可以使患者在治疗过程中，在行动和发声受限、语言交流比较困难的情况下，实时呼叫工作人员，从而使得工作人员可以及时了解患者的需求，减轻病患的痛苦和防止意外事件的发生。

[1] 胡逸民．放射物理学[M]．北京:原子能出版社,1999．

[2] 马祖长,孙怡宁,梅涛．无线传感器网络综述[J]．通信学报,2004, 25(4):114-124．

[3] 张晓彤,班晓娟,段世红,等．无线传感器网络与人工生命[M]．北京:国防工业出版社,2008．

[4] Girod L,Estrin D．RobuSt range estimation using acoustic andmultimodal ensing[J]．Intelligent Robotsand Systems,2001, (3):1312-1320．

[5] 蒋挺,赵成林．紫蜂技术及其应用[M]．北京:北京邮电大学出版社,2006:167-237．

[6] 黄晟,李玉民,金晖．超声科排队叫号系统的设计与实践[J]．中国医疗备,2012,27(9):61-63．

[7] 董海涛,屈玉贵,赵保华．ZigBee无线传感器网络平台的设计与实现[J]．电子技术应用,2007,(12):124-126．

[8] 徐丽华,王宜怀．一种ZigBee网络的设计与实现[J]．微计算机信息,2007,23(32): 72-74．

Design of Calling System of Radiotherapy Room Based on Zigbee

YANG Yu-gang, SHANG Ge, SHU Ming-yang
Department of Radiotherapy, the First Affliated Hospital of Xinjiang Medical University, Urumchi Xinjiang 830054, China

This paper designs a kind of wireless calling system in radiotherapy room based on Zigbee. The hardware of this system uses CC2530 system-on-chip, and its program uses Zstack protocol stack of TI company toimplement networking, relay, communication and so on. This system has advantages such as low cost, low power consumption, low complexity, no wiring etc.

radiation calling system; CC2530 chip; Zigbee technology; calling alarm

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.05.012

1674-1633(2013)05-0038-02

2012-11-24

2012-12-13

尚革，医院肿瘤中心直线加速器室主管物理师。

作者邮箱：yg570@163．com