基于ZigBee无线网的医院急救设备系统的设计

朱俊，侯君子，李晓妍，李姜辉，王力，盖淑萍，伍洪，黄华

1.中国人民解放军第三零九医院 a.医学工程科；b.移植ICU，北京 100091；2.约克大学 电子系，北约克郡 黑斯林顿区 YO10 5DD；3.中国科学院大学，北京 100190；4.中国科学院电子学研究所，北京 100190

基于ZigBee无线网的医院急救设备系统的设计

朱俊1a，侯君子1b，李晓妍1a，李姜辉2，王力3,4，盖淑萍3,4，伍洪1a，黄华1a

1.中国人民解放军第三零九医院 a.医学工程科；b.移植ICU，北京 100091；2.约克大学 电子系，北约克郡 黑斯林顿区 YO10 5DD；3.中国科学院大学，北京 100190；4.中国科学院电子学研究所，北京 100190

0 前言

医院急救设备是指急救医学中直接抢救患者或为患者提供生命支持的设备[1]，在医院抢救病人方面发挥着至关重要的作用。急救设备急救的内容主要包括：心、肺、脑的复苏，急性创伤，多器官功能的衰竭，急性中毒等。相应的急救设备包括呼吸机或简易呼吸器、氧气瓶，除颤仪、心电监护仪，输液泵、注射泵，负压吸引器，全自动洗胃机等[2]。如何顺利保障急救设备的正常使用，开展医疗设备的科学管理，进而保障医院急救设备的高效利用，充分发挥医疗设备的使用效能，已成为医院设备管理方面的重要内容。

在国外尤其是西方国家，急救系统已经十分成熟，大部分国家都成立了急救医疗中心/系统（EMS）。日本EMS由当地政府消防部门指挥，是一个紧密联系的系统，主要分为3级：一级急救、标准级急救和最高级急救。紧急级别依次上升，最高级急救要求急救人员具备全科急救技能和十分熟练的急救设备操作技能。目前，随着分类伤情119急救的发展，日本一些区域探索出了用于转运微创伤口病人的私人服务中心和分支机构的模式[3]。

国内传统急救设备局限在急诊科或重症监护室内，而大部分术后患者会转到普通病房，这时急救设备则需配置到该患者的床旁，从而造成急救设备流转不畅或救后设备闲置，造成医疗资源的巨大浪费和过高的维护成本[4-5]。管理上采用人工登记等初级管理模式，容易出现管理松懈，数据记录不准确、不及时等问题。目前常见的条码化管理容易出现条码磨损、需接触扫描识别，无法有效、快速读取设备信息等缺点。

本文基于ZigBee无线网技术设计了一种医院急救设备系统，用于实时监测急救设备的使用情况，进行科学调度，确保急救设备保持最佳状态，为抢救病人提供设备和技术支撑。

1 ZigBee技术

ZigBee技术是一种低功耗、低成本、近距离、低复杂度、低传输率的双向无线通信技术或无线网络技术。ZigBee基于IEEE802.15.4无线网络通信技术标准，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。可工作在3个频段：868 MHz/915 MHz/2.4 GHz，分别具有最高20/40/250 kbit/s的传输速率，常用频段为2.4 GHz。

ZigBee网络有3种拓扑结构：树形、星形和网形。由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成具有65000个节点的大网[6]。带有路由的可自动组网功能，使ZigBee网络快速、灵活、可靠、安全。

目前，实现ZigBee方案的核心芯片提供商主要有Jennic的JN5121芯片、Chipcon的SoC解决方案CC2530芯片、Ember的EM250ZigBee系统晶片及EM260网络处理器、Freescale的MC1319X平台等。本系统选用CC2530芯片。

2 系统总体结构

基于ZigBee无线网的医院急救设备系统主要分为3个模块：基于ZigBee的终端节点、路由器和协调器。系统总体结构框图，见图1。

急救设备投入科室使用时，设备的RFID电子标签含有的设备基本信息、计时收费模块进行的计时计价信息、技术支持模拟电话信息等参数通过传感器被采集或读出；再经过信号放大、A/D转换后，由CC2530模块DA通道处理并按照ZigBee协议打包发送出去；再通过ZigBee网络实现信号的传输和接收，之后由协调器进行处理。

系统主要可实现3大功能：设备身份射频识别、计时收费显示、设备技术支持电话和报警。同时考虑功能拓展性，预留设备的其他功能模块如新增设备定位模块等，以便根据设备控制中心管理者对设备技术参数的关注度，灵活地实现网络控制。

3 系统硬件

图1 系统总体结构

终端节点，又称终端模块，主要包括各类传感器和信息读写设备，完成对设备的信号采集和发送。路由器，又称路由器节点或中继器，主要完成数据的存储、转发和路由选取功能，此模块也可省略，由协调器直接实现，但考虑系统整体拓展性和灵活性，可保留，还可作为定位参考点。协调器模块，又称控制中心，主要包括中央数据库、上位机或PC机，完成对接收数据的处理。

3.1 ZigBee通信模块

采用德州仪器公司（TI）生产的CC2530芯片。它是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE协议的片上系统（SoC）解决方案，能够以低成本、低功耗、灵活快速组网的优势建立起强大的网络节点。CC2530芯片结合了领先的RF收发器的优良性能，具有高速低耗的8051 CPU、系统内可编程闪存、8KB RAM和强大的外设支持功能，支持芯片无线下载[6-7]。

CC2530芯片低功耗是通过5种不同电源模式的切换来实现的。这5种电源模式是：活动模式、空闲模式、PM1模式、PM2模式和PM3模式。系统采用间歇工作方式，大部分时间处于PM3低功耗状态[7]。运行模式之间的转换时间十分短，进一步确保了低能源消耗。

CC2530芯片的集成度非常高，只需要天线和晶振等非常少的外围匹配电路就能满足无线网络通信需求。其中，供电范围为2～3.6 V，工作电压取3.3 V；主时钟晶振采用32 MHz无源晶振以及32.768 kHz时钟晶振；无线RF模块外围电路采用巴伦阻抗匹配网络；天线使用50 Ω负极性天线。ZigBee无线通信模块，见图2。

图2 ZigBee无线通信模块

3.2 RFID电子标签

电子标签由RFID模块和ZigBee通信模块构成。其中RFID模块主要由AS3933前端模拟芯片和匹配网络组成，ZigBee模块由射频芯片CC2530和匹配网络组成。电子标签采用AS3933实现设备的电子身份识别，用SPI接口实现与CC2530的数据通信[8]。RFID电子标签接口，见图3。

图3 RFID电子标签接口

3.3 计时收费显示模块

由协调器的中央数据库和上位机或PC机进行控制计时。收费标准以仪器购置资金来源为基本，医院的相关职能科室协商定价，实行内部结算按小时收费模式，以提高使用科室的经济效益意识，有效避免科室租借设备无故延期不还，影响后续科室的使用，充分提高设备使用率，防止设备闲置造成浪费。计时收费模块直接嵌入在ZigBee通信模块上，在急救设备终端显示计时收费信息。

3.4 技术支持模块

主要实现急救设备的技术支持功能。当设备出现基本故障时能及时提供有效的技术支持，急救设备值班人员能第一时间赶赴现场进行故障排除。可以设置模拟电话和报警提示功能。

我们采用成都宝佳电子的PH8810模拟电话接口模块、PHT02信号音检测模块和美国ISD公司的语音芯片ISD4004设计技术支持模块。PH8810模拟电话接口模块是一款具有较高集成度的电话接口模块，集成了振铃检测、电话断线检测、自动摘挂机、自动增益调节、DTMF编码发射（HT9200）、DTMF译码接收（HT9170）等电路；采用电子耦合技术，功耗极低。PHT02信号音识别模块内嵌一片单片机独立执行信号音检测，配合高品质因素的BPF滤波器，滤除噪声，能够准确识别拨号音、忙音、回铃音等信号，与AT89C51连接十分方便[9]。技术支持模块接口，见图4。

3.5 路由器

由CC2530芯片开发，实现数据的传输、存储和路由功能，拓展功能可设置定位模块，此时路由器还能作为定位参考点。可选用外接电源或内置电池作为供电方式，并根据不同要求放置在医院所有病区内，包括住院部、门诊或病人活动区等，甚至可以放置在救护车等移动设备中。这样一旦进入有效范围，系统可自动快速组网。若放置在户外，该设备可采用铸铝外壳，可有效防雨、防尘等。

图4 技术支持模块接口

3.6 协调器

协调器由CC2530芯片、中央数据库、上位机或PC机构成。CC2530芯片作为RF射频模块的接收端，负责整个网络的建立和管理；中央数据库、上位机或PC机，负责系统设备信息的存储、显示等，是医院急救设备系统的核心。

急救设备的各个参数通过网络转发到协调器，同时预留RS232通信接口，用于与上位机或PC机之间的串口通信、调试[10]，实现动态管理和远程技术指导。

4 系统软件

目前，大部分医院已以“合作共建”模式开展医院急救设备的管理工作，主要形式是成立面向全院科室的租赁中心或急救设备中心；以集中化、中心化管理为准则，以租赁的方式按小时计费；便于设备的集中管理、统一协调。软件方案设计核心是RFID设备识别、计时收费显示和技术故障提示，从而实现对设备的监管。

4.1 电子标签程序

为了确定各类急救设备的身份信息，将设备数据字典装载写入RFID，并生成唯一的ID号，并附加在急救设备上，用于设备身份识别。设备数据字典主要包括系统目录字典和系统技术支持字典。系统目录字典，包括呼吸机或简易呼吸器、氧气瓶，除颤仪、心电监护仪，输液泵、注射泵，负压吸引器，全自动洗胃机等的设备名称、ID号、设备标识和输入码（拼音头-大写）。系统技术支持字典，包括维修记录、计量质量控制记录、消毒记录、日常保养记录、操作使用培训记录等数据。以军卫系统为载体，导入后台数据库。

4.2 急救设备管理流程

流程管理包括预约申请、出库、使用计费、入库、验机等。使用科室提出使用需求后，医院急救设备系统值班人员给予响应，查询设备库存情况，如库存不足需立即调配设备；读取设备RFID信息，设备出库后开始计时收费；设备使用后归还租赁中心，办理入库手续，停止计费并将收费信息显示出来。之后医学工程人员对设备进行验机、消毒，放入库存，以待下一个使用周期。急救设备管理流程图，见图5。

图5 急救设备管理流程图

4.3 系统软件流程

协调器流程见图6(a)。CC2530芯片进行硬件驱动和网络初始化，请求网络存在，如果存在则对下一级网络分配地址，用以建立网络，准备接收数据。

路由器流程见图6(b)。CC2530芯片进行硬件驱动和网络初始化，侦测网络数据，如果存在则对接收网络分配地址，用以建立网络，准备收发数据。

技术支持流程见图6(c)。医护人员使用的设备若出现故障，则启动ZigBee网络通信。请求数据被传输到控制中心的触发报警和通话语音模块；通过模拟电话告知设备故障，以便医学工程人员及时排除故障。医护人员使用的设备若无故障，则不需启动ZigBee网络通信，这时设备技术支持模块和ZigBee通信网络进入低能耗模式，节约设备用电。电子标签、计时收费显示等流程与本图基本类似，不再列举。

5 结语

本系统运行十分可靠；与条码化管理相比实用高效；其设备管理及科学调度方便高效。且ZigBee网络能耗低、稳定性高，耐用、易读取。

系统组网灵活。无线网由协调器节点（控制中心）、适当数目的路由器节点（路由）和大量的终端节点（手持智能终端）组成，如果地理空间较大的话，也可以多协调器组网。这种组网方式具有极好的灵活性，各个终端节点进入相应的路由区域都能自动组网[11-12]。

系统可拓展性、可替代性强。如增加GPRS模块，能实现手机形式的沟通，便于设备管理人员间快速响应；加入定位IIS传感器对设备进行定位等。

总之，系统充分实现了急救医疗设备的跟踪管理，使设备使用率达最大化，为设备的科学调配乃至科室的数据统计提供了技术支持。

图6 系统软件流程图

[1] Studnek JR,Crawford JM．Factors associated with back problems among emergency medical technicians[J]．American Journal of Industrial Medicine,2007,50(6):464-469．

[2] Coskun N,Erol R．An optimization model for locating and sizing emergency medical service stations[J]．J Med Syst,2010,34(1):43-49．

[3] Tanigawa K,Tanaka K．Emergency medical service systems in Japan:past, present, and future[J]．Resuscitation,2006,69(3):365-370．

[4] 唐伟．急救设备质量管理体系构建[J]．重庆医学,2007,36(4):378-379．

[5] 李开元,祝军,范江波．综合性医院急救设备供应中心管理实践[J]．中国医学装备,2012,9(9):34-36．

[6] 梁龙,王春雪．基于RFID和Zigbee网络的分布式考勤系统设计[J]．制造业自动化,2012,(14):14-16,78．

[7] 王国静,王卫东,昂清,等．基于ZigBee技术的多生理参数采集和存储系统的设计[J]．中国医疗器械杂志,2012,36(2):90-92,102．

[8] 张颖,杨臻．一种基于RFID和ZigBee技术的局域定位系统[J]．电子设计工程,2012,20(10):175-178．

[9] 李结松．基于ZigBee技术的生命体征监测报警装置[J]．医疗卫生装备,2012,33(6):21-22,27．

[10] 刘福彬．网络化多参数体征监测仪的设计[J]．中国医疗设备, 2013,28(10):26,30-33．

[11] 王绍卜．基于WSN的医院病人实时监护系统[J]．计算机应用, 2012,21(5):46-49．

[12] 张林,张永魁．基于ZigBee的多生理参数测量与分析系统的设计[J]．中国医疗设备,2012,27(2):25-27,43．

Design of Emergent Equipment System Based on ZigBee Wireless Network in the Hospital

ZHU Jun1a, HOU Jun-zi1b, LI Xiao-yan1a, LI Jiang-hui2, WANG Li3,4, GAI Shu-ping3,4, WU Hong1a, HUANG Hua1a

1.a.Department of Medical Engineering; b.Intensive Care Unit of Transplantation Center, The 309thHospital of PLA, Beijing 100091, China;

2. Department of Electronics, University of York, Heslington York YO10 5DD, UK; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China; 4.Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

目的 设计一种基于ZigBee无线网的医院急救设备系统。方法 基于急救设备字典和CC2530芯片，通过嵌入RFID标签、计时收费显示模块和技术支持模块，利用ZigBee无线通信设计软硬件，实现医院急救设备的科学管理。结果 该系统高效科学地提高了急救设备的使用效率和保障水平。结论 系统具有良好的实用性和可拓展性，值得推广。

急救设备系统；ZigBee无线网；CC2530芯片；RFID标签；模拟电话；条码管理

Objective To design an emergent equipment system based on ZigBee wireless network in the hospital. Methods Based on the emergent equipment dictionary and CC2530 chip, the hardwares and softwares of the system were designed with ZigBee wireless network by embedding RFID tag, timekeeping and charging display module, technical support module. Thus the scientific management of emergent equipment in the hospital has been implemented with the system. Results The service effciency and security level of emergent equipment have been enhanced effectively and scientifcally with the system. Conclusion The system with good practicability and expansibility should be promoted.

emergent equipment system; ZigBee wireless network; CC2530 chip; RFID tag; analog telephone; barcode management

TP393.03

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.05.008

1674-1633(2014)05-0026-04

2012-11-25

2013-03-20本文作者：朱俊，助理工程师。

伍洪，中国人民解放军第三零九医院医学工程科主任，主管技师。

作者邮箱：zhjacd@163．com