基于zigbee的医院监护系统设计作品设计报告.docx

1、基于zigbee的医院监护系统设计作品设计报告2014“赛佰特杯”第三届全国大学生物联网创新设计应用大赛作品设计报告基于zigbee的医院监护系统的设计Design of hospital monitoring system based on ZigBee设计报告队伍编号：CYB-JS-025参赛学校：山东交通学院作 者：徐梅娜 刘艳红 李雪雪 贺可晓 谢经宽指导教师：焦忭忭组别： 本科组 高职组 目 录课题摘要.3第1章 绪论.3第2章 系统方案.4 2.1系统体系结构设计.4 2.2系统模块设计.5第三章 功能与指标.6 3.1实现功能.6 3.2开发语言.10 3.3数据库.10第四章

2、实施原理及过程.12 4.1系统基本实施原理.12 4.2 无线定位算法设计.14第五章 硬件框图.14 5.1 定位节点设计.14 5.2 参考节点设计.16 5.3网关节点设计.175.4 CC2430和CC2431的介绍.17第六章 特色和创新点.206.1特点和优势.206.2创新点.20结 论.21参考文献.22课题摘要： 摘要内容：目前我国约有严重精神疾病患者1600万人，因为看护不周而造成的走失、自杀、杀人伤人现象呈逐年增加之势，精神疾病总负担已跃居各类疾病之首。因此，解决精神病人的看护监管问题日益突出，各医院对于精神病人的定位管理是一个普遍的难题，且相关解决方案很少。本文设计了

3、一套基于ZigBee技术的精神病人定位管理系统，结合现代传感器技术，构建成一个基于ZigBee技术的无线传感网络，实现对精神病医院中病人的追踪定位和活动监控，极大提高了精神病院的信息化管理水平。第1章 绪论 GPS是目前应用最为广泛的定位技术，但是对室内近距离定位，GPS的精度远远达不到要求。随着智能终端和无线通讯技术的发展，国内外很多机构开始研究室内定位技术，ABI Research调研公司在关于定位需求和潜在应用的调查研究也表明基于位置的服务在未来将带来7080亿美元的市场收入。室内定位在商业、医疗、军事等上的应用也有研究热点，展现了巨大的商业前景。目前室内定位技术可分为：RFID、蓝牙、

4、ZigBee、红外线等。RFID（射频识别技术）利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识

5、别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。物联网作为一种新兴的技术，通过信息传感设备，按约定的协议把任何物品同网络连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，在解决精神病人定位管理上有着得天独厚的优势。具有一定的实用价值和社会效益。经济、社会的快速发展，生活节奏的加快以及竞争的日益加剧，使得人们的心理负荷不断增加，心理问题、精神疾患日渐突出，并已成为一个日益突出的社会问题。而与精神病患者不断增加、

6、精神病人肇事肇祸现象日益突出不相适应的是，我国精神病医院对精神病人的救治和管理都处于较低水平。由于精神病人的特殊性，精神病医院不能像常规医院那样来管理病人，如何利用信息化手段加强对精神病人的服务和管理，如何自动识别、定位和跟踪精神病人，如何自动清点精神病人，是精神病医院在管理过程中一项重要的环节和组成部分。本项目组成员在前期调研阶段，先后走访了山东省精神卫生中心、宁阳县精神卫生中心两家医院，了解到医院对精神病人的管理尤其是安全管理亟待提升技术手段。精神病人由于自身特点可控性差，因此医院能够及时了解其物理位置和动向就显得尤其重要，在走访中，恰好碰到宁阳县精神卫生中心走失精神病人，该院花费大量人力

7、物力找寻，给医院的正常工作造成了很大影响，且精神病人在无监护的情况下极易对他人和社会造成威胁，因此如何快速有效的定位并管理精神病人，是各医院亟待解决的问题。第二章 系统方案 2.1 系统体系结构设计根据该系统的功能需求，结合ZigBee无线定位网络的技术特点，将精神病人定位系统划分为4个结构层次，即：数据采集层、数据存储层、数据管理层和信息表示层。数据采集层：作为系统的最底层，利用ZigBee 无线传感器网络实现对整个人员位置信息的采集，并通过ZigBee 网络将这些信息传送到监控主机加以分析处理。数据存储层：本层主要由关系数据库组成，负责对数据采集层采集到的数据进行存储和更新，并存储与系统相

8、关的人员信息、地理信息、指标参数信息、报警信息、历史信息等，为分析决策层提供数据支撑。数据管理层：本层是人员定位监控功能实现的关键。本层的监控软件通过对数据存储层各种数据信息的综合处理，分析当前监狱内人员的活动情况，判断人员活动是否正常，对各种突发情况进行报警。信息表示层：本层通过Web服务器将数据管理层的数据处理结果实时发布到医院信息管理系统中，实现远程监控。图2.1系统体系结构图Fig.2.1 System architecture diagram2.2系统模块设计系统分为三大模块，分别是人员监控定位模块、报警模块、管理模块。 (1)人员定位模块 行程监控：通过数据库中的历史记录分析某段时

9、间内某个病人的活动情况，一系列的定位数据组成追踪路线。 区域人数监控：显示各个区域的病人人数。 重点防区监控：对围墙、大楼出口等重点防区进行监控，查看是否有病人进出此区域。 (2)报警模块 非授权出入报警：病人非正常出入大门、进入非对其授权出入的区域或者走出其授权区域则立即报警。 求救报警：标识卡上设有求救按钮，病人或医生按下按钮求救则立刻报警通知管理区组织人员进行施救，如果事件紧急且符合事先设定好的预案，则立即输出报警信号求救。 设备异常报警：标识卡有电池低压、信号采集器和标识卡出现失效等情况发生时，报警通知工作人员进行维修更换等处理。(3)管理模块 人员出入授权管理：对所有人员的区域出入进

10、行授权或者更改权限等操作。 报警管理：显示并记录每次报警的地点、报警人员资料以及报警类型，并且还可以对报警信号进行取消等处理。 历史信息：系统可回放任意时段的精神病人定位信息，从而提高监管力度。图2.2 软件系统模块图Fig.2.2 Software system module diagram第三章 功能与指标 3.1 实现功能（1）精神病人定位功能 系统实时定位界面可以让用户直观的看到精神病人的位置信息，如图3.1所示，界面中将会显示受监控楼层的平面图情况，受监控的精神病人将以直观的图形化的人像来表示。 图3.1精神病人定位图Fig.3.1The mental patient positio

11、ning map（2）事件回放功能系统能够调阅病人的移动轨迹记录，并可将病人移动轨迹进行动态回放。可以指定某病人信息查询该病人的轨迹、起止时间、相关信息。系统可精确查询病人每一时刻的位置信息。并可以回放任意一个特定历史时刻病人的位置，从而提高监管力度。图3.2精神病人定位历史记录图Fig.3.2 The mental patient positioning history graph（3）病人信息管理功能 根据特定信息搜索可以快速添加、查询、修改、打印相应病人的信息和位置。图3.3病人信息查询图Fig.3.3 Patient information query graph（4）医生信息管理功能

12、 本系统对医生的信息也进行了综合管理，可以准确的添加、修改、查询和打印医生信息，便于医院管理。 图3.4医生信息查询图 Fig.3.4 Doctor information query graph（5）禁区闯入报警功能，当精神病人走错房间或走出医院大门时，为避免警报刺激病人，楼内采用声报警，在医院大门发出声音报警功能并能立即将报警记录存档。图3.5报警记录图 Fig.3.5The alarm record figure graph（6）从统计报表中可以清晰的看出病人的年龄分段比例、文化的总体水平以及入院时间的统计，这样可以更清晰的判定出病人的心理需求，给予合适的管理措施。 图3.6统计报表图

13、Fig.3.6 Patient statistics figure graph（7）快捷键设置系统内列出众多快捷方式，用户可以按照自己的习惯使用快捷键，方便快捷，减少错误率，提高效率。 图3.7系统设置图 Fig.3.7 System Settings figure graph3.2 开发语言本系统主要使用C语言、Java。TI的Z-Stack协议栈使用C语言开发，由于C语言可以直接对硬件进行操作，生成代码质量高、程序执行效率高，可移植性好，很适合做嵌入式开发，本系统的ZigBee模块主要采用C语言编程实现。ZigBee子模块与PC的通信、PC机上的应用程序使用Java语言开发，Java具有简

14、单，面向对象，稳定，与平台无关，解释型，多线程，动态等特点，非常适合开发同时采集多个节点信号的应用软件，且通用性强，能满足该系统下一步开发智能手机终端软件的需求。 3.3 数据库使用MYSQL数据库。MYSQL数据库是开源软件，性能出色，支持5000万条记录的数据仓库，可以满足本系统的需求。该数据库中的主要数据表有病人基本信息表、医生基本信息表、移动节点信息表等，其数据库结构见图3.4。病人本信息表，主要字段为：病人ID，腕表标签ID，姓名，性别，年龄，学历，房间号，入院时间，出院时间，身份证号，电话号码，主治医生等。医生基本信息表，主要字段为：医生ID，腕表标签ID，姓名，性别，年龄，学历，

15、入职时间，所在部门，电话号码，其他等。移动节点信息表，主要字段为：节点ID，节点X坐标，节点Y坐标，时间。病人基本信息表医生基本信息表节点信息表3.8数据库结构图Fig.3.8 Database structure diagram第4章 实施原理及过程 4.1系统基本实施原理本系统采用ZigBee无线室内定位技术，ZigBee 技术是一种新兴的近距离、低功耗、低成本、低数据率、低复杂度的双向无线通信技术，它是基于 IEEE802.15.4 标准开发的无线协议。网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定，IEEE802.15.4 负责物理层和链路层标准，本设计采用了 TI 公司开发的 CC2431

16、和CC2430 芯片来实现 ZigBee 通信及追踪定位功能。CC2431射频部分与 TI（CHIPCON）早期产品 CC2420 的功能基本相同，但增加了由 Motorola 公司授权的基于 RSSI 技术的定位引擎。其定位精度少于 3m，定位时间小于 40s，远远高于 GPS的定位精度，可以对监护系统内的病人实现较精准的定位。首先，在每个楼层和每个楼层的出口以及大楼门口等合适位置布置若干个低功耗ZigBee参考节点（CC2430），作用是提供数据转发和路由功能，是网络的路由节点。网关与参考节点的区别是增加了网络扩展模块。而后，给每个精神病人佩戴上一个腕表式的身份识别定位器，作为身份识别的定

17、位节点，采用CC2431模块内置定位引擎。每个定位器都拥有一个唯一的32位短地址用来判定身份与位置信息。在监控终端PC 的数据库中，预先记录了每个32位短地址对应的病人基本信息（如姓名、年龄、血型、亲属姓名、紧急联系电话、既往病史等信息）。佩戴了定位器的病人在医院中活动时，定位器定时启动CC2431 内置的定位引擎进行判断。之后，定位器将32位短地址、节点位置等信息传至具有网关作用的协调节点，再由协调节点通过有线以太网传至监控终端的数据库中，最终实现人员定位的功能。同时，通过不间断、定时的获取病人位置信息，用电子地图来描绘出病人的活动轨迹，帮助管理人员监控病人行踪。在获知了病人具体位置信息后，

18、具体的人员监控与管理工作就交由上位机端监控系统软件来完成。系统原理如图4.1所示：图4.1 系统原理图Fig.4.1 System principle diagram4.2 无线定位算法设计根据定位机制不同，定位算法分2类：第1类是基于测距（range-based）的定位算法，通过测量节点间的距离或角度信息，使用三边测量、三角测量或最大似然估计定位法计算节点位置，其定位精度较高。常用的测距技术有 RSSI、TOA、TDOA 和 AOA。第2类是无需测距算法(range-free)，利用节点间的邻近关系和连通性实现定位的算法，其定位精度较低，如 DV-hop 算法、GPS-less LCO 算法

19、等。本系统中使用的定位节点CC2431中加入了由Motorola公司授权的基于RSSI技术的定位引擎，该硬件定位引擎比软件定位更快速方便，本系统采用RSSI定位。（1）信号强度RSSI的计算在基于接收信号强度指示的RSSI的定位算法中，移动节点通过接收到参考节点号强度计算出信号的传播损耗，利用理论与经验模型将传输损耗转化为距离，距离与信号强度近似成反比，再利用三边测量法计算出节点的具体位置。接收信号强度RSSI理论值可由公式得到，其中n代表信号传播常量也称传播指数，d代表距发射器间的距离，A代表距离1m 接收信号强度，因此无线信号的衰减与距离成对数衰减的关系，利用此关系可以进行定位计算即定位。

20、移动节点到参考节点的距离 d越小由RSSI值的偏差产生的距离误差越小；当距离大于某一值时由RSSI值波动造成的距离误差将会很大。（2）三边测量法的计算三边测量法是节点定位中的一种基本的计算坐标方法，它的基本原理如下：若A，B，C三个节点为参考节点，其坐标分别为（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc），它们到定位节点D的距离分别为Da，Db，Dc，假设D点坐标为（X，Y）。那么通过下列公式：解方程组可以得到D点坐标为： 该系统的定位过程为: 首先将参考节点和网关节点合理的分布在整个监控区域内，使其通信范围能涵盖整个病区，之后将移动节点、参考节点和网关节点都联入网络，并分配其相应的网络配置数

21、据。当移动节点进入相应区域后，移动节点接收到区域内的3个参考节点传输的信号，移动节点根据信号的强弱及定位算法计算出自己的位置坐标，将位置坐标传递到网关，最后传输到上位机。上位机通过串行电缆从网关节点上接收到相关数据后，通过通信协议对数据进行分解分析，例如：收到4个八位二进制数，第一个代表自身ID，第二个代表楼层数，第三个代表节点的x坐标，第四个代表y坐标，由此通过电子地图显示。若发现各种非正常情况，系统会及时报警。第五章 硬件框图 5.1 定位节点设计本系统中的定位节点分为两种：病人和医生佩戴的腕带标签（见图5.1），标签均为有源电子标签，采用CC2431芯片制成，工作在2.4 GHz ISM

22、 频段，是一种基于IEEE802.15.4 标准协议，可实现多跳自组无线网络，定位节点方框如图5.2所示。这两种标签均采用高强度防水耐磨ABS 塑料封装，腕带标签外形如手表状，胸卡标签外形如卡片状，可防止暴力拆卸；若腕带长时间没有移动位置，标签会发送报警信号，提醒管理人员注意。采用一块CR2450钮扣电池供电，正常情况可以工作半年时间。电池容量低时，标签主动上报低压信息，以便管理人员更换电池。该系统中设有2个定位节点。图 5.1 腕带标签Fig.5.1 Wristband tag图5.2 定位节点Fig.5.2 Location of node5.2 参考节点设计参考节点固定安装在需要无线信号

23、覆盖的区域，采集定位节点的信号，集中上传给网关节点。芯片为CC2430模块，方框如图5.3 所示。通过多个参考节点之间的多跳级联成无线自组网，与网关节点通信距离可最远达1000 m。根据医院实际现场情况，划定和调节信号覆盖区域，自动定时回报状态信息，实时传送区域内人员定位信息。采用外接12V 电源与内置3 Ah锂电池相结合的供电方式，无外接电源可工作12h 以上，同时设置防拆卸报警功能。一个定位区域通常由8 个参考节点组成，系统至少有3个参考节点才能进行定位。本系统中使用了3个参考节点来进行定位，其中1个参考节点增加了网络扩展模块，以同时充当网关节点。图5.3 参考节点Fig.5.3 Refe

24、rence node图5.4 参考节点实物图Fig.5.4 Reference node physical map5.3网关节点设计在医院的监控中心内，安装网关节点，采用高强度防水铸铝材料作为外壳，核心模块为CC2430芯片负责进行数据处理，增加了网络扩展模块，方框如图5.5所示。它要实现组建无线定位网络并实现数据的无线收发的功能，它是系统中至关重要的模块，一方面网关接收由监控软件提供的各个参考节点和定位节点的配置数据并根据不同的方式发送给相应的节点，另一方面还接收每个节点的反馈数据判断数据的有效性并传输给监控中心。图5.5 网关节点实物图Fig.5.5 The gateway node ph

25、ysical map5.4 芯片的介绍 CC2430芯片的主要的组成（1）MCU和存储器子系统针对协议栈，网络和应用软件的执行对MCU处理能力的要求，CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。它还包含一个DMA控制8k字节静态RAM，其中的4k字节是超低功耗SRAM。（2）4个振荡器 振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。（3）包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为

26、IEEE802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。（4）CC2430内集成的其他外设有:实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。CC2430芯片的主要特点如下： 高性能和低功耗的8051微控制器核。 集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 在休眠模式时仅0.9A的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6A的流耗，外部的中断能唤醒系统。硬件支持C

27、SMA/CA功能。较宽的电压范围（2.03.6V）。数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。具有电池监测和温度感测功能。集成了14位模数转换的ADC。集成AES安全协处理器。带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。 强大和灵活的开发工具 CC2431是TI公司推出的针对无线传感器网络ZigBeeTMIEEE802.154应用的片上系统(SoC)解决方案。其内部集成了CC2420射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、128KBFlashROM和8KB RAM。由于CC2431可工作在4种工作模式下，且工作模式之间的转换时间较短，因而能够满足超低功耗系统的要求。CC2431的主要性能特点如下：(1)定位引擎能精确计算网络中节点位置；(2)具有高性能低功耗的8051控制器核；(3)集成符合IEEE802154标准的2.4GHzRF无线收发机(具有工业级领先的CC2420射频内核)；(4)优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性能； (5)128KB可编程闪存；(6)8KBRAM，4KB带所有功耗模式数据保持功能；(7)强大的DMA功能；(8)极少的外部元器件；(9)网状网络仅需单一晶体；(10)低电流损耗(微控制器运行于32MHz时，接收和发射分别为27