一种基于ZigBee技术的医用腕带

程誉朝++庄波++余学海

摘 要：文中設计了一款采用ZigBee技术的新型智能医用腕带，为医护人员和病患提供呼叫功能。文章首先对腕带的整体设计方案进行了说明，之后对ZigBee技术进行介绍，并对设备的软硬件设计进行了详细阐述，最后对设备的丢包率进行测试。测试结果表明，文中设计的医用腕带可以很好地实现无线呼叫功能。

关键词：ZigBee；医用腕带；丢包率；无线呼叫

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-02

0 引 言

现有的医疗监护设备大多采用有线技术进行组建并传递病人的信息。该类有线方案的可升级性差、布线繁琐、成本高且无法移动。由于有线方案采用线路连接，因此随着使用时间的增加线路容易发生老化或被腐蚀、磨损，设备的故障发生率也随之越来越高，而且在系统维护、错误排查阶段存在较大困难。

正是基于对上述医院呼叫设备所暴露的种种问题的思考，为解决现有病房呼叫系统存在的不足，同时简化病人看病的流程，提高医护人员的救护效率，为病人提供优质和人性化的服务，设计了基于ZigBee技术的智能医用腕带。

1 医用腕带的设计方案

基于ZigBee的智能医用腕带的系统框图如图1所示。腕带由微处理器、ZigBee通信单元、呼叫按钮、电源模块组成。同时，为保证腕带的正常工作，还为其配备了路由节点，协调器，主控中心，护士主机等一系列辅助设备与应用。腕带的工作场景如图2所示。腕带采用ZigBee无线通信，无线消息通过路由节点以及协调器的路由，能够实现病人与护士、主控中心间的信息交互。该腕带在提高可靠性，保障病人隐私的同时，方便了医护人员对于病人状态的及时了解。

2 关键技术介绍

ZigBee是一种适用于近距离、较低功耗、低成本以及低传输速率场景的具有统一技术标准的无线通信技术，符合IEEE802.15.4标准，该技术可满足小巧的低端价位装置的组网以及控制需求。

ZigBee协议采用分层设计思想，协议在制定时参考了OSI模型。协议可以看做是一个5层结构，即从低到高依次为物理层、MAC层、网络层、应用支持层和应用层。其中下面两层由IEEE定制，中间两层由技术联盟负责。这样，用户只需要将精力集中到针对自己的要求进行裁剪或软件编辑即可，使用方便灵活。

ZigBee技术具有支持三种网络拓扑结构的能力，可以满足不同规模的网络需要，拓扑结构如图3所示。

在这三种网络拓扑中，星型和树型网络适合点到多点、距离相对较近的应用。而Mesh型网络则具有更加灵活的信息路由规则。在可能的情况下，路由节点之间可以直接通讯。通常在支持Mesh网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优路径，并具有较强的自愈、自组织功能。

3 硬件设计

医用腕带的硬件主要包括CC2530模块、可充电电源模块、呼叫按钮、ZigBee无线通信模块。其系统框图如图4所示。

医用腕带的微处理器采用TI公司的CC2530芯片，该芯片是TI公司开发的一款基于增强型51内核的射频芯片，具有8 KB的RAM及32、64或128 KB的系统内可编程Flash，是一套真正的片上系统。CC2530支持符合ZigBee标准的Z-Stack协议栈，同时配备21个通用I/O，具有DMA，UART，定时器等常用外设，芯片集成度高，功能相对完善。

电源模块采用可充电电池，通过MAX8881EUT低压差线性稳压器将7.2 V输入电压转换为CC2530芯片所需的3.3V电压。

4 软件设计

4.1 设备入网过程

图5简述了腕带的入网过程。工作人员首先需要启动协调器，并一直处于运行状态。协调器在组建网络后，其余设备可以发出请求加入该网络的信息，同时协调器会为每个在网设备分配唯一的16位短地址，并在后续通信过程中，根据该地址实现对各设备的识别与通信。

4.2 医用腕带与护士主机的绑定操作

医用腕带采用ZigBee无线通信协议，并采用树型网络拓扑以方便实现点到点及点到多点的通信。在设备工作过程中，结合医院内病人呼叫的实际情况，对腕带与指定的护士主机进行绑定操作。使病人发送的信息传送到协调中心与指定护士主机，从而避免消息串扰。绑定操作主要分为主动和被动两种形式。

4.2.1 主动绑定

图6描述了主动绑定的工作过程。具体步骤如下：

（1）病人腕带设备根据存储在非易失性存储区的64位IEEE地址主动向主控中心即协调器请求指定护士主机的16位短地址。

（2）协调器在收到请求后，根据接收到的64位IEEE地址，在已入网设备列表中进行检索，若检索到该设备，则将该设备的16位短地址发送给请求方，否则发送至协调器。

（3）病人腕带设备在收到请求后，则将该网络地址存储到设备的非易失性存储区，并将护士主机网络地址标志字段置位已获取状态。此后，在需要发送信息时，将消息发送至对应地址设备。

上述为主动“绑定”的工作过程，该过程主要发生在以下两种情况：

（1）设备复位重启后，检测非易失性存储区的护士主机网络地址字段，若为协调器的网络地址，则执行该操作。

（2）定期对腕带护士主机网络地址标志字段进行检测，若为未获取状态，则执行该操作。

4.2.2 被动“绑定”

图7描述了主动“绑定”的工作过程。具体步骤如下：

（1）管理人员通过主控中心修改在网病人腕带的绑定信息，并将其发送给协调器。信息内容主要包括欲修改的病人设备的16位网络地址，及护士主机的IEEE地址和16位短地址。

（2）协调器在收到被动“绑定”消息后，将该消息经ZigBee网络发送给指定的病人设备。

（3）病人设备在收到来自协调器的主动“绑定”消息后，对设备的非易失性存储区中的护士主机的IEEE地址和16位短地址字段进行替换。

5 设备通信性能测试

ZigBee网络中数据传输的准确性决定着整个系统的可靠性、稳定性。本小节将对网络中设备的丢包率进行测试。

在存在障碍物的环境下，将五个节点散布在楼道内，构成星型网络。各节点每隔800 ms向协调器发送长度为100 B的数据包，连续发送1 000个。协调器与子节点预先设定好数据包内容，当协调器接收到数据包时，对内容进行比对校验，若完全一致，则说明数据发送成功，并将数据通过串口输出到PC上，否则发送失败。

表1所列为具体的测试结果，一共5组，平均丢包率为2.62%，结果表明，设计的基于ZigBee技术的医用腕带具有较高的传输可靠性。

6 结 语

本文设计的基于ZigBee的智能医用腕带为医用呼叫与身份识别提供了解决方案。借助ZigBee无线通信技术，使得该设备具有良好的可移动性和可扩展性，同时解决了传统有线病房终端固定、布线复杂、费用高等问题。随着计算机、ZigBee技术的发展和推广，该智能腕带还可以进一步扩展成为包含远程监控、无线定位、可实时传输病人各种生理信息等强大功能的无线医疗监护系统，拥有较大的发展空间。

参考文献

[1]姚国风，庄斌，赵大明，等. 基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计[J]. 现代电子技术，2016，39（22）：81-84.

[2]赵荣阳，王斌，姜重然. 基于ZigBee的智能农业灌溉系统研究[J]. 农机化研究，2016，38（6）：244-248.

[3]范燕，俞洋，李永義，等.基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：80-84.

[4]王世平，王志武，颜国正.基于ZigBee的可穿戴式病房无线监护系统[J].传感技术学报，2015，28（10）：1563-1569.

[5]唐晓艳，金涛，洪英豪. ZigBee生命体征监测系统设计[J]. 福州大学学报（自然科学版），2015（5）：642-647.

[6]施占一，冯建文，王丽萍.ZigBee协议改进和在医用呼叫系统中的应用[J]. 计算机应用，2012，32（S2）：78-81.

[7] 王彩峰，张海娜.基于ZigBee的物联网远程医疗系统研究[J].物联网技术，2016，6（5）：49-50.

[8] 黄龙飞，黄晓峰.基于无线ZigBee的无线医用呼叫系统设计[J].数字技术与应用，2016（2）：184-185.