基于ZigBee的醫(yī)院實時定位系統(tǒng)的設計與實現

1、 基于ZigBee的醫(yī)院實時定位系統(tǒng)的設計與實現 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，對病人、醫(yī)生、護士、管理人員和重要儀器設備的實時定位的需求也就顯得越來越迫切，構建智能化醫(yī)院已經成為當前的發(fā)展趨勢。本設計基于ZigBee技術來實現人員和設備的實時定位，大大提高了急診室、病房的使用率和設備的利用率，具有很強的實用性。Key：ZigBee；實時定位；物聯網；醫(yī)院：TP311 ：A ：1009-3044（2016）28-0271-02ZigBee技術是雙向無線通訊技術，特點是短距離、低復雜度、低功耗、低速率和低成本 1，可工作在三個頻段，包括2.4GHz（全球流行）

2、、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行），傳輸速率最高可達到250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s 2。由于ZigBee技術的傳輸速率非常低，發(fā)射功率也只有1mW，并且使用了休眠模式，因此ZigBee的設備很省電。ZigBee協(xié)議的網絡層支持三種拓撲結構：星型（Star）結構、網狀（Mesh）結構和簇樹型（Cluster Tree）結構3。星型網絡可提供很長時間的電池使用壽命。網狀網絡可有多條傳輸路徑，它具有較高的可靠性。簇樹型網絡結合了星型和網狀型結構，既有較高的可靠性，又節(jié)省電池能量。ZigBee設備按功能可分為協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點。協(xié)調器的作用是啟動網絡

3、初始化、規(guī)劃網絡節(jié)點和存儲各節(jié)點信息，路由器的作用是管理每對節(jié)點的路由信息，終端節(jié)點是網絡中的根節(jié)點，可以是任意類型的終端設備。1 系統(tǒng)方案設計智能化醫(yī)院實時定位系統(tǒng)包括人員腕帶終端、ZigBee節(jié)點、ZigBee到Wi-Fi轉換器、監(jiān)管人員智能終端、無線路由器、ARM控制網關、服務器和管理軟件等，能夠實現人員實時定位，人員實時呼叫，重癥病人身體狀況實時監(jiān)測和報警，貴重（危險）物品實時監(jiān)測和報警等功能（如圖1所示）。2 系統(tǒng)硬件設計本設計硬件包括ZigBee節(jié)點（CC2530）和ARM控制網關等設備，將病人、醫(yī)生、護士、管理人員和便攜式儀器設備設計移動的ZigBee節(jié)點，路由器（ZigBee協(xié)

4、調器）設計成固定的ZigBee節(jié)點，ARM控制網關設備要有ZigBee節(jié)點和ZigBee到Wi-Fi轉換器。2.1 ZigBee節(jié)點在本設計中，ZigBee節(jié)點選用CC2530芯片4，以此來搭建醫(yī)院的實時定位網絡。CC2530結合了RF收發(fā)器的良好性能，行業(yè)標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KB RAM 和其他眾多的功能。CC2530擁有多種運行模式，能夠適應極低功耗需求的系統(tǒng)?？焖偾袚Q的運行模式也能夠進一步降低了能源消耗。CC2530芯片特性具有強大的地址識別、數據包處理引擎、射頻特性和低功耗特性，具有很強大的網絡節(jié)點功能，適應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 種電源運行模式，轉換時間短，非常適合需要超低功耗運行的系統(tǒng)。2.2 ARM控制網關在本設計中，ARM控制網關使用samsung公司的S5PV210 處理器。S5PV210處理器配備了ARM CortexTM-A8內核，ARM V7指令集，主頻可達到1GHZ，64/32位內部總線結構，32/32KB的數據/指令一級緩存，512KB的二級緩存，可實現2000DMIPS（每秒運算2億條指令集）的高性能運算能力

6、；S5PV210具有很多強大的硬件編解碼功能，內建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/數字TV輸出。JPEG硬件編解碼，最大支持8000 x8000分辨率，內建高性能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。在本設計中，ARM網關采用了如下模塊：電源管理模塊、復位電路模塊、調試電路模塊、存儲模

7、塊、以太網模塊、USB接口模塊和串口模塊。報警器、協(xié)調器和攝像頭等通過USB和串口來擴展。3 軟件設計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，比如高速、精準，不占用處理器時間等5。該硬件定位引擎的主要工作原理如下：確定38個參考節(jié)點，采集數據，并使用這些數據計算出定位的位置，可保證達到耗時少于40s，定位范圍在64m內，定位偏差低于3m；如果參考節(jié)點達到8個以上，則將參考節(jié)點的位置進行分類，采用 8個參考節(jié)點中信號最強的 RSSI 值。CC2530芯片的定位引擎一般采用分布式計算方法，該方法依據距離最近的參考節(jié)點（其位置是已知的）接收到的信息，對節(jié)點進

8、行本地計算，確定待測節(jié)點的位置。因此，待測節(jié)點范圍中節(jié)點的數量將決定網絡的流量。在節(jié)點上采用分布式定位計算，可有效地避免集中計算可能帶來的海量網絡傳輸與通信延遲問題。定位節(jié)點的工作原理如圖4所示。定位引擎能夠實現ZigBee 網絡射頻的精確性，并且功耗很低，通信開銷也能夠達到最小化。另外，定位引擎技術還能利用現有的 ZigBee 基礎設施來確定其在網絡中的位置。3.2 系統(tǒng)需求分析軟件的主要功能需求如下：1）上位機軟件自動實時掃描TCP/IP端口或RS232串口采集下位機發(fā)送上來的數據以及發(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時顯示定位狀況和傳感數據的動態(tài)曲線圖。3）管

9、理人員實時查看醫(yī)生、護士、病人的可視化定位。4）管理人員對醫(yī)生、護士、病人及時呼叫與簡訊互發(fā)。5）管理人員可視化貴重（危險）設備物品位移報警與傳感門限參數預警。6）醫(yī)生可視化病人身體攜帶的健康照顧傳感數據及門限參數報警。7）管理人員可視化移動人員或物品實時搜索定位。8）權限管理人員分配不同權限于不同的管理員。4 結束語經過系統(tǒng)設計、軟硬件測試和和系統(tǒng)功能測試，本系統(tǒng)較好地實現了病人、醫(yī)生、護士、管理人員和重要儀器設備的實時定位，能夠提高急診室、病房的使用率和設備的利用率。本系統(tǒng)布局方便，安裝簡單，并且成本很低，可考慮應用到智能家居、人員監(jiān)控和危險品監(jiān)控等領域，有較好的前景和市場。Reference：1 瞿雷，胡咸斌. ZigBee技術及應用M. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.2 郭淵博，楊奎武. ZigBee技術與應用-CC2430設計、開發(fā)與實踐M.北京：國防工業(yè)出版社，2010.3 葛曉宇，王慶輝， 魏立峰.ZigBee技