多生理参数监护系统网络设计

安徽理工大学 赵善彬

在此次疫情期间，医护人员严重缺乏，而为减轻医护人员的工作负担，使得医护人员可以更好的照顾严重的病患，我们可以采取多生理参数监护技术。本文设计一种ZigBee的多生理参数的监护系统，用于对病区进行监控的无线传感网络系统包括由数据采集节点、接收节点组成的无线通信模块、OLED显示模块以及上位机监视服务中心3个部分。

由于近年赖疫情的爆发，降低医护人员在对患者进行救治看护过程中的感染率成为缓解人员紧张以及疫情得到控制的重要研究问题。本文的ZIGBEE无线远距离生理监护系统起到着重要的作用。由于现医院大部分的监护系统都是有线，距离需求较近这较大的增加了疫情通过近距离接触感染的可能性。并且其功能上较为单一，设备功能独立无法实现多参数同时监控。并且设备体积大，极大的妨碍了患者日常运动，严重的限制了患者活动半径进而影响其生活和情绪。随着科技的进步，各类传感器的功能得到极大的开发与应用，并且传感器的体积也得到较大的改善，其兼容性也得到优化。所以面对发展需求，医院的单参数监护系统必然需要向多参数监护系统发展，通过采用各类传感器以及相关的软硬件控制技术，在原有的基础上实现高集成、仪器体积小、日常使用方便、且使用精度高的多参数监护系统就得到社会的青睐。其中以ZIGBEE无线传输的方式使得在监护系统运行过程中更加的方便，由于其低功耗、低复杂度、操作简单使用传输精度高等优点更是成为众矢之的。

本文中提出将传感器技术与Zigbee技术相结合，让监护系统完全实现无线传输、精准检测、快速预警等效果，有效提高医护人员的工作效率，从而进一步使得更多患者及时得到有效治疗。

1 Zigbee技术介绍

Zigbee传输方式是一种Zigbee联盟制订的，主要运用于速率低距离较短的传输，目的是达到成本低、功耗低的无线网状网络的协议，是一种双向的网络技术与无线通讯技术，其正常工作频段分别为868MHz、915MHz和2.4GHz，其数据传输率在10～250kbit/s之间，具有低速率、响应快、高可靠性、功耗低、网络容量大、自动组网等特点。

2 系统总体方案

整个监护系统由硬件和软件两大部分组成。硬件方面主控芯片采用8051单片机，传感器使用体温传感器、血压传感器、脉搏、心率、血氧饱和度传感器；体温传感器、血压传感器、心率、脉搏传感器以及血氧饱和度传感器，将获取的体温、血压、脉搏等生理参数，通过终端节点，然后由无线收发模块通过CC2530内部的增强型的8051微控制器的A/D转换电路或者恰当的A/D转换电路，将模拟量转换为数字量，再由CC2530进行无线接收并发送到另一个作为整个无线网络协调器的Zigbee模块，最后通过OLED显示屏显示给陪护人员以及巡视医护人员，并通过串口将数据传输给上位机监视服务中心的服务人员进行监视与储存处理。方便了医护人员的日常工作，提高了工作效率。

2.1 系统硬件设计

多生理参数监护系统，在设计中主要是需要两个CC2530模块，一个利用CC2530模块内部的8051单片机组成的数据采集处理模块，另一个利用天线和射频芯片组成的无线接收部分。系统整体框图如图1所示。其中数据采集模块主要包括如体温、血压、心率等传感器采集电路。数据处理模块主要存在一些微处理器和外围电路，其中采集到的数据通过微处理器作出相应监管，允许终端节点的加入和离开，并且接受并且存储由终端节点采集来的信息，然后将所接收到的信息进行显示。其中主要包括如OLED显示电路、复位电路等。最后将处理好的信息通过天线射频的方式发送出去。无线接收模块主要是根据制定协议，在将射频信号通过内部电路进行分析并展示，通过内部时钟电路以及匹配电路分别确定数据的准确性，匹配到相应信息终端号。供电模块负责整个系统的能量供应，满足工作状态和休眠状态和电量需求，并达到低耗能的系统设计要求。

图1 系统整体框图

2.2 系统软件设计

当传感器节点供上电后，节点进行初始化过程，以自组网的方式与网络协调器连接成功后，外部中断信号没有发给CC2530时，采集结点将处于休眠低功耗状态。在产生中断信号后，采集结点上电被激活，进入采集工作状态并发送数据。在外部中断信号消失后，再次进入低功耗状态。根据Zigbee模块的唯一性，每个模块都会有唯一的地址位，在与采集处理的CC2530模块进行连接时，都可以根据这个唯一地址进行匹配，使得节点与接收终端处于同一网络中。当传感器节点达到接收条件时，会及时采集数据并将其数据传送到单片机中，再由单片机将每个节点的数据进行打包、加码进行发送，将数据传输到接收终端网络协调器。流程图如图2所示。

图2 传感器采集结点工作流程图

当协调器节点上电后，自主的会组建一个属于自己的新网络。在网络搭建完成后，网络协调器会自动在其辐射的范围内搜索是否有还未连接的终端采集节点，并该终端已经向其自建网络发出加入申请指令。若存在节点申请没加入，协调器通过网络层会给未加入的节点分配一个新的地址位，且具有唯一性。协调器需要数据传输时，会向终端采集节点发出数据请求指令，要求其将数据采集结果发送给协调器，再进行显示和存储。

总结：此系统的优点在于，患者将采集节点佩戴在身上，传感器可以随时精准采集到患者的信息，并且在过程中采用无线传输技术，不影响患者的自由活动，大大降低了医患接触感染病菌的可能性。通过OLED显示电路，将各个节点的数据进行综合显示和管理，通过上位机可以及时对每个患者的情况进行及时掌握。本系统使用无线传输Zigbee技术，它在中距离传输上精度高、可靠性也优于其他方式。将其运用在监护系统中可以很好的体现其成本需求低、复杂度低、使用过程中伸缩性好的特点。