基于ZigBee的醫(yī)院實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 基于ZigBee的醫(yī)院實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 于樹科+祁宏宇Summary：隨著醫(yī)院信息化管理的不斷發(fā)展和完善，對(duì)病人、醫(yī)生、護(hù)士、管理人員和重要儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)定位的需求也就顯得越來越迫切，構(gòu)建智能化醫(yī)院已經(jīng)成為當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。本設(shè)計(jì)基于ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)人員和設(shè)備的實(shí)時(shí)定位，大大提高了急診室、病房的使用率和設(shè)備的利用率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。Key：ZigBee；實(shí)時(shí)定位；物聯(lián)網(wǎng)；醫(yī)院：TP311 ：A ：1009-3044（2016）28-0271-02ZigBee技術(shù)是雙向無線通訊技術(shù)，特點(diǎn)是短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率和低成本 1，可工作在三個(gè)頻段，包括2.4GHz（全球流行）

2、、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行），傳輸速率最高可達(dá)到250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s 2。由于ZigBee技術(shù)的傳輸速率非常低，發(fā)射功率也只有1mW，并且使用了休眠模式，因此ZigBee的設(shè)備很省電。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型（Star）結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀（Mesh）結(jié)構(gòu)和簇樹型（Cluster Tree）結(jié)構(gòu)3。星型網(wǎng)絡(luò)可提供很長(zhǎng)時(shí)間的電池使用壽命。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可有多條傳輸路徑，它具有較高的可靠性。簇樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了星型和網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。ZigBee設(shè)備按功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的作用是啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

3、初始化、規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)各節(jié)點(diǎn)信息，路由器的作用是管理每對(duì)節(jié)點(diǎn)的路由信息，終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)，可以是任意類型的終端設(shè)備。1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)智能化醫(yī)院實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)包括人員腕帶終端、ZigBee節(jié)點(diǎn)、ZigBee到Wi-Fi轉(zhuǎn)換器、監(jiān)管人員智能終端、無線路由器、ARM控制網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器和管理軟件等，能夠?qū)崿F(xiàn)人員實(shí)時(shí)定位，人員實(shí)時(shí)呼叫，重癥病人身體狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警，貴重（危險(xiǎn)）物品實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警等功能（如圖1所示）。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)硬件包括ZigBee節(jié)點(diǎn)（CC2530）和ARM控制網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，將病人、醫(yī)生、護(hù)士、管理人員和便攜式儀器設(shè)備設(shè)計(jì)移動(dòng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)，路由器（ZigBee協(xié)

4、調(diào)器）設(shè)計(jì)成固定的ZigBee節(jié)點(diǎn)，ARM控制網(wǎng)關(guān)設(shè)備要有ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee到Wi-Fi轉(zhuǎn)換器。2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)在本設(shè)計(jì)中，ZigBee節(jié)點(diǎn)選用CC2530芯片4，以此來搭建醫(yī)院的實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)。CC2530結(jié)合了RF收發(fā)器的良好性能，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和其他眾多的功能。CC2530擁有多種運(yùn)行模式，能夠適應(yīng)極低功耗需求的系統(tǒng)。快速切換的運(yùn)行模式也能夠進(jìn)一步降低了能源消耗。CC2530芯片特性具有強(qiáng)大的地址識(shí)別、數(shù)據(jù)包處理引擎、射頻特性和低功耗特性，具有很強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能，適應(yīng)2.4GHZ的IEEE 802.15.4的RF

5、收發(fā)器；極高的接收靈敏度和抗干擾性能，可編程的輸出功率高達(dá)4.5dBm；在無外加功放且電路完全匹配的情況下，通信距離可達(dá)百米以上；電源電壓范圍為2 3.6 V，最低工作電壓僅需2 V，且具有4 種電源運(yùn)行模式，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，非常適合需要超低功耗運(yùn)行的系統(tǒng)。2.2 ARM控制網(wǎng)關(guān)在本設(shè)計(jì)中，ARM控制網(wǎng)關(guān)使用samsung公司的S5PV210 處理器。S5PV210處理器配備了ARM CortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)到1GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32KB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512KB的二級(jí)緩存，可實(shí)現(xiàn)2000DMIPS（每秒運(yùn)算2億條指令集）的高性能運(yùn)算能力

6、；S5PV210具有很多強(qiáng)大的硬件編解碼功能，內(nèi)建MFC（Multi Format Codec），支持MPEG-1/2/4，H.263，H.264等格式視頻的編解碼，支持模擬/數(shù)字TV輸出。JPEG硬件編解碼，最大支持8000 x8000分辨率，內(nèi)建高性能PowerVR SGX540 3D圖形引擎和2D圖形引擎，支持2D/3D圖形加速。同時(shí)還具有1080P高清解碼引擎，能夠輸出1080P/30fps的高清視頻，帶有HDMI 1.3輸出，可以將高清視頻輸出到外部顯示器上；S5PV210處理器具有豐富的外圍接口。在本設(shè)計(jì)中，ARM網(wǎng)關(guān)采用了如下模塊：電源管理模塊、復(fù)位電路模塊、調(diào)試電路模塊、存儲(chǔ)模

7、塊、以太網(wǎng)模塊、USB接口模塊和串口模塊。報(bào)警器、協(xié)調(diào)器和攝像頭等通過USB和串口來擴(kuò)展。3 軟件設(shè)計(jì)3.1 定位原理CC2530芯片的硬件定位引擎與軟件的定位方法相比，有明顯的優(yōu)勢(shì)，比如高速、精準(zhǔn)，不占用處理器時(shí)間等5。該硬件定位引擎的主要工作原理如下：確定38個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，采集數(shù)據(jù)，并使用這些數(shù)據(jù)計(jì)算出定位的位置，可保證達(dá)到耗時(shí)少于40s，定位范圍在64m內(nèi)，定位偏差低于3m；如果參考節(jié)點(diǎn)達(dá)到8個(gè)以上，則將參考節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行分類，采用 8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)中信號(hào)最強(qiáng)的 RSSI 值。CC2530芯片的定位引擎一般采用分布式計(jì)算方法，該方法依據(jù)距離最近的參考節(jié)點(diǎn)（其位置是已知的）接收到的信息，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)

8、行本地計(jì)算，確定待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。因此，待測(cè)節(jié)點(diǎn)范圍中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將決定網(wǎng)絡(luò)的流量。在節(jié)點(diǎn)上采用分布式定位計(jì)算，可有效地避免集中計(jì)算可能帶來的海量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲問題。定位節(jié)點(diǎn)的工作原理如圖4所示。定位引擎能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)射頻的精確性，并且功耗很低，通信開銷也能夠達(dá)到最小化。另外，定位引擎技術(shù)還能利用現(xiàn)有的 ZigBee 基礎(chǔ)設(shè)施來確定其在網(wǎng)絡(luò)中的位置。3.2 系統(tǒng)需求分析軟件的主要功能需求如下：1）上位機(jī)軟件自動(dòng)實(shí)時(shí)掃描TCP/IP端口或RS232串口采集下位機(jī)發(fā)送上來的數(shù)據(jù)以及發(fā)送控制命令。2）管理人員需要監(jiān)控軟件使用人員需要可視化模擬實(shí)時(shí)顯示定位狀況和傳感數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線圖。3）管

9、理人員實(shí)時(shí)查看醫(yī)生、護(hù)士、病人的可視化定位。4）管理人員對(duì)醫(yī)生、護(hù)士、病人及時(shí)呼叫與簡(jiǎn)訊互發(fā)。5）管理人員可視化貴重（危險(xiǎn)）設(shè)備物品位移報(bào)警與傳感門限參數(shù)預(yù)警。6）醫(yī)生可視化病人身體攜帶的健康照顧傳感數(shù)據(jù)及門限參數(shù)報(bào)警。7）管理人員可視化移動(dòng)人員或物品實(shí)時(shí)搜索定位。8）權(quán)限管理人員分配不同權(quán)限于不同的管理員。4 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟硬件測(cè)試和和系統(tǒng)功能測(cè)試，本系統(tǒng)較好地實(shí)現(xiàn)了病人、醫(yī)生、護(hù)士、管理人員和重要儀器設(shè)備的實(shí)時(shí)定位，能夠提高急診室、病房的使用率和設(shè)備的利用率。本系統(tǒng)布局方便，安裝簡(jiǎn)單，并且成本很低，可考慮應(yīng)用到智能家居、人員監(jiān)控和危險(xiǎn)品監(jiān)控等領(lǐng)域，有較好的前景和市場(chǎng)。Reference：1 瞿雷，胡咸斌. ZigBee技術(shù)及應(yīng)用M. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.2 郭淵博，楊奎武. ZigBee技術(shù)與應(yīng)用-CC2430設(shè)計(jì)、開發(fā)與實(shí)踐M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.3 葛曉宇，王慶輝， 魏立峰.ZigBee技