基于ZigBee的无线医用呼叫系统设计

方案。首先对ZigBee通信技术做了介绍。其后对硬，软件设计做了讲解。此无线医用呼叫系统既可将患者的床号、呼叫内容和呼叫时间等信息通过无线网络传输到主控中心节点，又可实现方便而快速的组网，还设计了声光报警等功能，更好地为医护人员提供信息。最后介绍STC89C51单片机，语音芯片的功能。本次设计很好的将ZigBee技术与单片机技术应用在一起。

关键词：无线医用呼叫系统 ZigBee技术单片机

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）02-0000-00

1 引言

传统的有线呼叫系统，其布线繁琐且成本高昂，不利于医院的管理，与大规模的投资建设，而随着ZigBee技术的日臻成熟，其短距离，低功率数据传输，成本低廉的特点非常符合建立无线呼叫系统。特别在医院的呼叫，酒店的点餐，等公共场所有着十分广泛的应用前景。在医用监控领域利用ZigBee技术的无线传输和自组网的功能，和多传感器，多医用监测仪器的数据连接，可以扩展位远程实时的医疗监控，大大减小医护人员的工作量，极大的提高了医护人员的工作效率。正是ZigBee的许多优点而使其成为无线病房呼叫服务的最佳选择之一。

2 ZigBee技术及其网络组成

2.1 ZigBee技术

ZigBee技术是双向无线通讯技术。主要用于传输速率低、能耗小，距离近的设备之间进行数据传输的应用。

ZigBee标准基于IEEE 802.15.4 或 802.15.4g协议栈而建立，其工作在免执照的2.4GHz频段，一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，200多个ZigBee网络可以在一个区域内同时存在，ZigBee还支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构和簇状结构。[1]

IEEE组织及ZigBee联盟是两个为ZigBee协议制定，应用的重要机构。为了今后不同设备的互相通信，互相连接，ZigBee的物理层及MAC层的协议主要由IEEE组织负责统一制定，其他的协议采用现有标准。ZigBee联盟则负责高层应用及市场推广工作。同样在国际上有许多致力于ZigBee技术开发的公司，其中比较著名的公司有Freescale、TI等国际巨头，它们都已经研发出了ZigBee的开发平台，相信ZigBee技术会越来越被广泛的应用于社会生产当中。[6]

2.2 ZigBee网络的组成

基于ZigBee的无线医用呼叫系统的网络组成图如图1所示。由图1可知，该无线呼叫系统，是由一个网络、若干个病号（呼叫器）节点、几个路由器节点，一个协调器节点，一个中心节点（接收端）组成的ZigBee簇状网络。通过呼叫端把数据传到路由器，最后通过协调器把数据传到ZigBee接收端也就是主节点，而主节点负责处理传过来的数据。ZigBee实现了数据的无线传输。呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为ZigBee路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发。ZigBee 路由器与协调器组成一个星型与树型结合的混合网络，再与ZigBee中心节点连接，中心节点设置在管理中心，构建成一个完整的ZigBee 无线网络。一个ZigBee网络由终端，路由器，协调器，主节点组成，其可以自行组网，可以快速的建立网络。本文设计的ZigBee网络工作过程有患者发出的服务请求，通过网络传到接收端，也就是医院的护士站或值班室。医生或护士可以通过中接收端获得患者的请求服务的信息，对患者的请求做出及时处理。[4]

3 无线医用呼叫系统的硬件设计

3.1 无线医用呼叫系统呼叫端的硬件设计

呼叫端的设计主要包括微控模块，通讯模块，显示模块，传感器模块，报警模块，按钮呼叫模块，电源模块组成，如图2所示。

当呼叫端工作时，微控模块对输入的信息进行处理。当按下按钮时，将信号传送给单片机，单片机进入中断程序，对信息进行处理。其后将控制信号传送给各个控制模块。其中显示模块采用LED16*16点阵，滚动的显示患者的一些基本信息，便于医护人员的校对。报警模块由蜂鸣器和发光二极管组成，当患者按下按钮，或者红外脉搏传感器的检测量超出正常范围，发光二极管导通，蜂鸣器发出报警声，提醒陪护人员。语音模块提前录入一些常规的医护人员回复的语音信息，有情况是可以调用播报，来预先回复患者的一般要求，起到安慰患者的作用。[5]通讯模块采用ZigBee模块来替代。报警模块中传感器模块采用红外脉搏传感器，其具体参数如表1 。[2]

无线呼叫系统接收端是面对医护人员的，其功能设计有别于无线呼叫系统的呼叫端，控制要求较呼叫端更为复杂。其设计主要包括微控模块，通讯模块，电源模块，语音模块，显示模块，按键模块，报警模块。如图3所示。

其中显示模块采用12864LCD液晶屏，显示患者的请求信息。按键采用矩阵键盘。声光报警设备采用蜂鸣器，发光二极管。语音模块提前录入一些患者常规的请求的语音信息，有报警时可以调用语音信息，用语音播报来提醒医护人员。通讯模块也采用ZigBee模块来替代。

通上电后，单片机不断扫描外部的信号。当通讯模块收到患者请求信号，便输入给为控制器，单片机进入中断程序，经单片机处理后，分别控制各个模块，向医护人员显示患者的基本信息，提醒医护人员。例如LED显示患者的脉搏，温度，还有患者的病号，名字等基本信息。医护人员可通过矩阵键盘的来消除报警，回复患者的信息。[3]

3.3 微控模块，语音模块采用的芯片

3.3.1 微控模块

微控模块采用STC89C51单片机，这是一款基于8位单片机处理芯片STC89C52RC的系统。最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。STC89C52RC系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051 内核单片机，是高速低功耗的新一代8051 单片机，全新的流水线/精简指令集结构，内部集成MAX810 专用复位电路。

3.3.2 语音模块

由于在系统中要求实现语音播报的功能，而在日常环境中有许多的干扰，所以要得到清晰的声音是有很大难度的，因而选择一款适当的语音芯片是十分重要的。设计中选择ISD4004芯片，器件工作电压3V，工作电流25～30mA，维持电流1μA，单片录放语音时间8～16min，音质较好。芯片采用 CMOS技术，内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。操作命令可通过串行通信接口SPI 或Micro Wire送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。频率越低，录放时间越长，而音质则有所下降，片内信息存于闪烁存贮器中，可在断电情况下保存 100 年（典型值），反复录音 10 万次。

4 无线医用呼叫系统的软件设计

系统功能的实现的前提是硬件和软件相互结合，良好的运作。硬件决定了系统基本结构和特性，而软件则是驱动系统的灵魂，就像一个“人”，作为一个高度复杂的生物系统，身体为硬件，思想为软件，两者缺一不可，相辅相成。

4.1 接收端软件设计

接收端主程序主要完成系统的初始化，其主程序流程图如图4所示，接收数据中断子程序流程图如图5所示。

4.2 呼叫端软件设计

呼叫端程序相对接收端程序较为简单，其主程序流程图及发送数据的中断子程序的流程图分别如图6，图7所示。

6 结语

医用呼叫系统是医院自动化的重要组成部分。现有的医用呼叫系统大多是以有线方式连接，这会造成布线繁琐，系统维护成本高等问题。而把ZigBee技术与呼叫系统相结合，实现了数据的无线传输，改进了以前的布线方式。能较好的实现功能，

参考文献

[1]瞿雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京航空航天大学出版，2007-8.

[2]黄双华，赵志宏，郭志.ZigBee无线传感器网络路由的研究与实现[J].电子测量技术，2007，30（2）：59-61.

[3]刘焰.单片机实现病房呼叫管理[J].科技资讯，2006，54（25）：7.

[4]赵惠军.基于ZigBee协议的病房呼叫系统研制[J].医疗卫生装备，2008，29（7）：56-59.

[5]王琳.基于ZigBee技术的无线呼叫系统的设计[J].电子测量技术，2008，31（10）：142-145.

[6]李文仲，段朝玉.ZigBee 无线网络技术入门与实践[M].北京航空航天大学出版社2007.

收稿日期：2015-12-03

作者简介：黄龙飞（1992—），男（汉），福建南平人，专业：电气自动化；黄晓峰（1969—），男（汉），甘肃甘谷县人，副教授，硕士，主要研究方向：人工智能与计算机控制。