基于ZigBee技术的医疗输液监护系统设计

基于ZigBee技术的医疗输液监护系统设计
陈章进;姚真平;张建峰
【摘要】现有的临床输液监护形式中,大多采用人工监护;为了改善医疗输液环境,实现输液过程的智能监护,设计了一种利用TI公司CC2530芯片的基于ZigBee技术的医疗输液监护系统;该系统采用压力传感器采集输液状态信息,在传感器和监视设备间构建ZigBee无线通信网络,将传感器检测到的输液信息,通过无线网络发送到监视设备上;分析了系统的工作原理、硬件组成、软件设计;实验结果表明该系统具有误差低,实时性好和可靠度高等优点;提高了输液监护过程的安全性和医护人员的工作效率,为医护人员及病人带来了方便.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2015(023)003
【总页数】4页(P797-800)
【关键词】输液监护;ZigBee;CC2530;无线传感器网络
【作者】陈章进;姚真平;张建峰
【作者单位】上海大学微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学计算中心,上海200072;上海大学微电子研究与开发中心,上海200072;上海大学微电子研究与开发中心,上海200072
【正文语种】中文
【中图分类】TN98
0 引言
在临床治疗过程中，静脉注射是一种常见的治疗手段［1］。

现有的临床输液监护形式中，大多采用人工监护。

输液开始后，病人需要不断注视着药袋状态，避免出现空气进入血管内形成空气栓塞、凝血堵针头等情况。

输液结束后，需要人工通知医护人员来处理。

条件较好的医院也是在观察到输液结束后，通过有线的呼叫方式通知医护人员，这类有线的呼叫方式成本高、布线繁琐、扩展性差、维护困难、移动性差［2］。

而且由于病人需要时刻关注输液状态，休息得不到保障。

因此，传统的人工输液监护形式有不少弊端。

研制一种新型智能输液监控器，实现输液过程的智能化管理成为必然趋势［3］。

ZigBee［4－5］是一种基于IEEE 802.15.4［6］标准开发的新型的短距离、低速率、低功耗、低成本的无线传感网络技术［7－8］。

本文设计了一种基于ZigBee 技术的医疗输液监护系统，在检测输液信息的传感器和监视设备间构建无线通信网络；并将传感器检测到的输液信息，通过无线网络发送到监视设备上，使医护人员能通过监视设备了解各个病人的输液信息。

1 系统结构及工作原理
该输液监护系统结构图如图1所示，整个系统分为传感器模块、ZigBee通信模块、管理中心PC。

其中传感器模块采用压力传感器。

输液药袋挂在传感器模块上进行
输液时，其重力会不断减小，压力传感器能采集输液袋重力变化信息。

当重力小于一定值或输液药袋在一定时间内重力没有变化时，传感器通过ZigBee通信网络将报警信息传送给管理中心。

为节省功耗，ZigBee提供PM1、PM2、PM3，3种省电工作模式。

其中PM2 模式为中度睡眠模式，在此模式下，Zig－Bee的高频晶振和数字核心模块关闭，低频晶振工作。

系统可以通过RESET、外部中断或者休眠计数器溢出唤醒；PM3模
式为深度睡眠模式，在此模式下，系统的高频、低频晶振和数字核心模块都关闭，系统只能通过RESET 或外部中断唤醒。

ZigBee通信网络中存在以下3种类型节点：
1）协调器节点：其负责发起网络和维护网络运行，同时接收来自各终端节点或路由节点发送的病人输液状态信息。

协调器节点在网络中一直处于工作状态。

一个ZigBee网络中只允许有一个协调器节点。

2）路由节点：其主要负责中继转发离协调器节点较远，只通过其本身无法加入到协调器发起的网络中的终端节点的信息。

可视具体环境调整路由节点的间隔和数量。

路由器节点在网络中一直处于工作状态。

图1 系统结构图
3）终端节点：终端节点与传感器相连，收集传感器检测到的输液袋重量信息。

输液开始时，终端节点依据不同规格的输液袋选择输液监护过程中终端节点全功能工作状态与PM2休眠状态切换的时间间隔。

当输液袋的当前重量低于某一值N1时，终端节点进入全功能工作状态；当输液袋的当前重量低于某一值N2或当前重量在某一时间段内一直维持在N3时，终端节点每隔5秒向管理中心发送“输液完毕”或“输液停止”警报，直到管理中心的医护人员响应了相应的请求后，终端节点停止发送警报，并进入PM3休眠状态。

该系统中，协调器节点通过与病人床号信息进行绑定的终端节点的全球唯一IEEE
地址来辨别接收信息的来源。

系统中协调器节点通过有线的方式与管理中心相连。

当终端节点有“输液完毕”或“输液停止”等警报信息时，管理中心通过软件可观察各个病人的输液状态信息。

并可响应相应的警报。

2 系统硬件设计
系统硬件设计分为两大部分：传感器模块、ZigBee通信模块。

传感器模块用于检测病人的输液状态信息；Zigbee通信模块用于将传感器模块检测到的输液状态信
息传送给管理中心，并且通过按键响应病人输液请求信息。

2.1 传感器模块
传感器模块电路图如图2所示，其中电桥式压力传感器能将重力变化信息转换成电压变化信息。

电桥式压力传感器工作原理是将电阻应变片紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化后，电阻应变片也随之产生形变，使应变片的电阻发生变化，从而使加在电阻上的电压发生改变。

由于电阻应变片受力时产生的电压变化是模拟量，且通常很小，因此后面需要接一个能将细微变化的模拟电压值转换成数字量的A／D 转换芯片。

本设计的A／D 转换芯片采用ZEN7310C 芯片。

它是一款具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强的24 位A／D 转换器芯片。

芯片内集成了一个增益为128的输入低噪声放大器，可将电阻应变片上微小的电压变化放大。

ZEN7310C 片内含有可直接关断芯片电源的传感器开关，当终端节点处于休眠状态时，可通过该开关关断芯片电源，降低系统功耗。

图中芯片的VREF与电桥式压力传感器的输入电压端相连，为芯片A／D 转换的参考电压；芯片的差分信号输入端分别与电桥式压力传感器相应的差分信号相连；DOUT 用于输出经A／D 转换的24为质量数据；PD＿SCK 为ZigBee向传感器模块输出的时钟信息，并在节点休眠时输出超60μs的高电平信号用于关断芯片电源，降低系统功耗。

图2 传感器模块硬件原理图
2.2 ZigBee通信模块
ZigBee通信模块硬件原理图如图3 所示，其中采用TI（德州仪器）公司的
CC2530作为系统核心芯片，CC2530里面集成了增强型8051单片机和RF 收发器；电源可采用3.7 V及5V 供电；图中第9脚与传感器模块的串口输出接口DOUT相连，用于接收ZEN7310C 输出的输液袋重力信息；第11脚与传感器模
块的断电控制及串口时钟输入相连，用于向传感器模块输出时钟信号；LED1 用于组网指示灯；对于终端节点，LED2及蜂鸣器用于当向管理中心发送的“输液完毕”和“输液停止”等警报在一定时间内没有得到管理中心响应时，提醒病人；按键用于当医护人员没有通过管理中心，直接在病人病房响应请求时，取消终端节点的警报发送。

对于协调器节点，LED2及蜂鸣器用于提醒医护人员，有病人发送请求信号；按键用于医护人员响应相应的病人的请求信号。

图3 ZigBee通信模块硬件原理图
3 系统软件设计
软件设计基于TI公司开发的Z－Stack2007协议栈。

系统中存在3种类型的节点，分别为：协调器节点、路由节点、终端节点。

3.1 协调器软件工作流程
1）协调器节点上电初始化，组建网络，并等待其它节点加入网络。

网络组建成功后，LED1指示灯亮。

2）搜索信号，读取IEEE地址和请求信息。

3）将请求信息以及与IEEE 地址对应的床号通过液晶显示。

4）检测按键K1是否被按下，如按下，则清除液晶显示上相应节点的显示信息，
并向相应的终端节点发送“警报已响应”信息。

协调器节点软件工作流程如图4所示，图中列出的函数为系统工作过程中所使用
的部分Z－Stack2007协议栈中的主要函数。

图4 协调器软件工作流程
3.2 路由节点软件工作流程
1）上电初始化，申请加入网络，入网成功后LED1指示灯亮。

2）搜索信号，判断接收的数据是否需要转发。

3）将数据转发至下一路由或发给协调器。

3.3 终端节点软件工作流程
1）上电初始化，申请加入网络，入网成功后，LED1 指示灯亮。

2）向协调器节点点播发送节点的相关信息，说明本次输液开始。

3）检测输液袋初始重量，以初始重量的不同判断输液袋的类型，进而选择每次休眠的时间。

4）进入PM2休眠模式，当本次休眠结束时，判断输液袋的重力，如果大于某一指定值N1 时，系统再次进入休眠模式；如果小于或等于N1时，系统进入全功能模式工作。

5）系统在全功能模式下，一直检测输液袋的重力，如小于指定值N2时，节点每5s向协调器点播发送一次“输液完毕”警报；在整个输液过程中，如在某一指定时间内，输液袋重力一直没有变化，这说明输液出现故障停止，节点同样每5 s向协调器点播发送一次“输液停止”警报。

6）当协调器响应病人请求，或者医护人员直接按下相应终端节点的K1 键时，节点停止发送警报，并立即进入PM3模式休眠，直到外部中断键K2被按下，系统再次循环进入下一轮输液。

终端节点软件工作流程如图5所示，图中列出的函数为系统工作过程中所使用的部分Z－Stack2007协议栈中的主要函数。

图5 终端节点软件工作
4 实验结果
该系统以250mL规格的输液袋进行了实验，该规格输液袋净重量为20g。

终端节点从PM2模式进入全功能模式工作时的重量设置为55g，终端节点发送警报的重量设置为35g。

为了能实时准确的观察管理中心收到的输液袋重量变化是否与真实值相符，从终端节点进入全功能模式工作开始，不断向管理中心发送所测得重量值。

实验结果如图6所示，由图可知，终端节点进入全功能模式后所测得的输液袋重量信息与实际值的误差在2.5g以内。

5 总结
本文提出了一种基于ZigBee技术的医疗输液监护系统。

图6 实验结果
之后介绍了系统的硬件模块，并对系统的软件工作流程进行了分析。

通过实验证明该ZigBee网络运行稳定，系统具有良好的实时性和可靠性。

该系统具有设计简单，设备成本低，可靠性高等优点，同时为医护人员及病人带来了方便，提高了输液监护的安全性和有效管理，大大提高了医护人员的工作效率。

【相关文献】
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