随着医疗卫生行业信息化进程的不断推进，病房护理呼叫系统已经成为医院提高医疗护理服务质量、提升医护人员工作效率和减少医疗事故的重要基础设施。目前，病房护理呼叫系统的种类很多，多数采用有线通信方式。由于采用有线线缆方式进行布线安装，病房护理呼叫系统存在着成本高、施工繁琐、维护困难、移动性差、重复利用率低等弊端[1]。同时，由于病房护理呼叫系统缺乏对呼叫信息的存储、统计和管理功能，当医护人员离开值班室时，就有可能贻误病人的护理请求，给病人和医院造成不可挽回的损失。鉴于现有病房护理呼叫系统存在的弊端和问题，本文提出了一种基于ZigBee的无线传感器网络在病房护理呼叫系统中的应用方案，旨在克服有线病房护理呼叫系统存在的弊端，解决病房护理信息实时交互的技术问题。
1 ZigBee技术
ZigBee是一种低功耗、低成本、低速率和低复杂度的双向无线通信技术。ZigBee协议栈主要由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成[2]。其中，物理层和数据链路层标准由IEEE无线个人区域网(PAN)工作组制定，网络层和应用层由ZigBee联盟制定。在网络层，ZigBee联盟制定了星型、树型和网状网三种网络拓扑结构。根据设备在网络中的角色，ZigBee定义了三种逻辑设备类型：ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和 ZigBee 终端设备(ZigBee End Device)。每个ZigBee网络节点不但可以支持多达31个传感器和受控设备，而且可以采集和传输数字量和模拟量[3]。
2 系统组成和工作原理
病房护理呼叫系统主要由监测中心和ZigBee无线传感器网络两部分组成，其系统结构如图1所示。

监测中心主要由计算机和病房护理呼叫系统管理软件组成，实现对呼叫信息的存储、统计和管理等功能。利用计算机上的病房护理呼叫系统管理软件，医护人员可以通过操作界面直观、清晰地看到护理呼叫节点的地理位置和相关护理信息，从而提高医疗护理服务质量、提升医护人员工作效率和减少医疗事故[4]。
协调器是病房护理呼叫系统的核心设备，负责选择系统工作信道和网络标识符，建立基于ZigBee无线传感器网络的病房护理呼叫系统。当医院每层楼较宽、病房较多时，ZigBee网络中可以加入路由器节点。路由器节点放置在协调器和护理呼叫节点之间，负责允许其他护理呼叫节点加入网络，支持多跳路由数据包的传输，从而更大限度地增加护理呼叫节点的数量、扩大网络覆盖范围。医院病房区散布着大量的护理呼叫节点，它们是护理呼叫信息的发送装置，上电后自动扫描设定的工作信道，尝试找到一个已经存在的病房护理呼叫网络并加入其中。护理呼叫节点主要负责病人生理参数的定时采集和护理请求的实时采集，然后通过ZigBee网络上传给协调器，为医疗护理人员实施护理服务提供依据[5]。
3 系统硬件设计
3.1 护理呼叫节点设计
护理呼叫节点是病房护理呼叫系统的基本单元，负责采集病人的生理数据和护理请求，并把最终数据传输到ZigBee网络协调器[6]。护理呼叫节点采用模块化设计，主要包括：
(1)微处理器模块：负责控制整个护理呼叫节点，采用Chipcon公司的CC2430，满足ZigBee在2.4 GHz 工业科学医学(ISM)波段对低成本、低功耗的要求。
(2)传感器模块：负责病人生理数据(体温、脉搏、呼吸和血压等)的定时采集。其中，压力传感器MPVX5050GP采集的脉冲分两路接入CC2430进行分析处理，一路直接进行A/D转换，得到静压信号数据；另一路通过带通滤波放大电路进行A/D转换，得到放大的脉搏波信号数据。传感器模块硬件电路如图2所示。
(3)按键模块：负责实时检测按键值，传递病人的护理请求信号，其硬件电路如图3所示。按键模块直接挂到CC2430的I/O口上，按键值通过电阻和分压判断。采用ADC读取电平方式，不但具有很快的响应速度，而且可以节省I/O口。

(4) 无线通信模块：负责与ZigBee网络协调器的无线通信、交换控制信息和收发数据。天线采用单极子谐振天线，长度为电子波长的四分之一（λ/4）。天线不但易于设计和实现，而且方便整合到PCB板中。
(5)能量供应模块：为护理呼叫节点提供运行所需的能量。考虑到护理呼叫节点的便携性，采用3节5号干电池供电，通过低压差稳压芯片AMS1117_3.3为CC2430提供直流3.3 V工作电压[7]。由于ZigBee的功耗极低，在低耗电待机模式下，3节普通5号干电池至少可使用6个月，从而免去了病人频繁更换电池的麻烦。
3.2 ZigBee网络协调器设计
ZigBee网络协调器集成了网关和协调器的双重功能。一方面通过ZigBee网络与护理呼叫节点通信；另一方面通过RS232接口与监测中心的PC机连接，执行PC机的命令并做出相应的响应。
ZigBee网络协调器主要由处理器模块、串行接口模块、无线通信模块和能量供应模块等组成[8]，其组成如图4所示。其中，微处理器采用Chipcon公司的CC2430，RS232电平转换芯片采用SP3232EEA，实现RS232电平与TTL电平之间的转换。

4 软件设计
4.1 系统管理软件设计
在Power Buider 11.5环境下开发的系统管理软件，利用Access2003数据库实现了病房护理呼叫信息的存储、统计和管理。系统管理软件接收和处理通过ZigBee网络协调器传送的合法信息，并且在数据库中按照预先定义好的表的形式对病房护理呼叫信息进行组织管理。医护人员可以通过系统管理软件界面查询患者的病房号、床位号以及护理等级等信息，同时可以查询护理呼叫节点采集的护理请求和生理参数等信息，并且能够设置生理数据的报警阈值[9]。系统管理软件组成如图5所示。

4.2 病房护理呼叫系统软件设计
病房护理呼叫系统的软件主要由μC/OS-II操作系统、ZigBee协议栈和应用控制程序组成[10]。μC/OS-II内核提供了简单高效的任务管理、时间管理、任务间通信同步和内存管理等功能。μC/OS-II可以使各个任务独立执行，互不干涉，很容易实现准时而且无误执行，使实时应用程序的设计和扩展变得容易，使应用程序的设计过程大为简化。ZigBee协议栈采用完全符合ZigBee 2006规范的TI Z-Stack，具有层次分明、扩展性强等特点。应用控制程序负责执行控制命令等功能。总体程序流程如图6所示。

5 实验结果及分析
5.1 系统参数设置
ZigBee无线传感器网络采用树型网络拓扑结构，最大深度（Lm）为5，每个父节点的最大子节点数（Rm）为17。系统工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段，有16个速率为250 Kb/s的信道可供选择[11]。为了避免WiFi对系统的干扰，可以使用4（2.425 GHz）、9（2.450 GHz）、14(2.475 GHz)、15（2.480 GHz）信道。
5.2 呼叫请求测试
为了模拟真实的病房呼叫请求，通过随机按下护理呼叫节点的按键来测试系统的可靠性。测试结果如表1所示。其中，d表示ZigBee网络协调器与护理呼叫节点的距离，T表示护理呼叫节点的呼叫请求次数，R表示ZigBee网络协调器成功接收护理呼叫节点的呼叫请求的次数。

分析测试结果可以发现，当d≤25 m时，ZigBee网络协调器可以准确地接收护理呼叫节点的呼叫请求，基本满足病房护理的要求。
5.3 血压采集测试
为了验证护理呼叫节点采集的血压数据的可靠性和有效性，采用反复对比和多次重复的方法进行测试。在同一时期对同一测试者分别使用护理呼叫节点和水银血压计进行血压测量，采集的血压数据如表2所示。

通过分析测试数据可知，护理呼叫节点与水银血压计的血压测量结果基本一致。收缩压误差范围≤4 mmHg，舒张压误差范围≤4 mmHg。因此，护理呼叫节点测量的血压数据可以作为临床诊断的依据。
病房护理呼叫系统以ZigBee无线传感器网络为核心，充分利用了ZigBee技术低功耗、自组网和动态路由的特点，实现了病人生理参数的定时采集和护理请求的实时采集，满足了医院病房护理工作的现实需求。通过实际测试，系统工作稳定可靠，具有较高的市场价值。
参考文献
[1] 石建国，马云辉.支持移动响应的ZigBee网络无线呼叫系统[J].自动化与仪表，2010(8).
[2] 雷震洲.支持M2M应用的无线网络技术及发展[J].电信科学，2004(11).
[3] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：20-23.
[4] 尹娟.基于ZigBee协议的医院病房呼叫系统[J].中国医疗设备，2010(11).
[5] 董大鹏，唐晓英，刘伟峰，等.无线传感器网络技术在医疗监护中的应用[J].电子技术应用，2008，33(10).
[6] 马小铁，李凯.无线传感器网络技术在人体参数采集中的应用[J].微型机与应用，2010，26(10).
[7] 郁丽，郭勇，赖武刚，等.生命状态远程监视及定位系统的研究[J].电信科学，2010(3).
[8] 宁炳武，刘军民.基于CC2430的ZigBee网络节点设计[J]. 电子技术应用，2008，33(3).
[9] 周翔，丁珠玉，周胜灵，等.嵌入式ZigBee远程医疗监控系统的设计[J].西南大学学报（自然科学版），2011(3).
[10] 朱向军，应亚萍，应绍栋，等.基于ZigBee和WLAN的智能家居系统的设计[J].电信科学，2009(6).
[11] 张利锋.基于ZigBee的分布式数据采集系统设计[J].金陵科技学院学报，2011(1)：5-8.