摘要：文章以PIC單片機為下位機控制器，利用Zigbee無線自組網(wǎng)絡技術，采用C++build6編程，設計并實現(xiàn)了一種通用性高、管理功能強的醫(yī)院病房護理機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了護理機的“無人護理”功能，在很大程度上解決了我國目前陪護人員緊缺和護理費用高昂的難題，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。
關鍵詞：ZigBee；PIC單片機；遠程監(jiān)控；C++builder；Access數(shù)據(jù)庫

0 引言
    當今社會中存在著一種因失去生活自理能力而長期臥床的弱勢群體，他們因高齡、傷、病、殘等原因需要被人照顧。然而由于該弱勢群體數(shù)量大，護理人員緊缺，護理費用高等問題導致目前的社會護理矛盾日益凸顯。目前市場上的護理機在“智能護理”方面已比較完善，已經(jīng)具有大小便自動識別與臟物回收、溫水清洗與自動烘干等功能。但在使用過程中仍然需要專門的“陪護人員”，這將占用家庭和醫(yī)院大量的人力和財力，同時也限制了護理機在醫(yī)院的推廣使用，因此社會迫切需要一種在現(xiàn)有護理功能的基礎上能夠?qū)崿F(xiàn)“無人護理”功能的新型智能護理機。本文以PIC18F87K22單片機為護理機控制器，利用ZigBee自組網(wǎng)絡技術，采用C++Build6編程，設計并實現(xiàn)了一種通用性高、管理功能強的醫(yī)院病房護理機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了護理機的“無人護理”功能，解決了我國目前陪護人員的緊缺和高昂護理費用的問題，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 護理機的Zigbee無線組網(wǎng)設計
    ZigBee是近幾年新興的一種無線傳輸技術，它具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡容納節(jié)點數(shù)多等特點，近年來在工業(yè)、醫(yī)療、家居自動化、遙測遙控等領域得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)選用深圳市華奧通通信技術有限公司研發(fā)生產(chǎn)的HAC-Lbee ZigBee無線數(shù)傳模塊作為ZigBee組網(wǎng)的核心器件，其主要特點有：1)提供TTL電平／UART接口，符合一般器件直接使用要求；2)工作在2．4GHz的免執(zhí)照頻段，無線傳輸速率可達250kb ps；3)具有16個通信信道可供選擇；4)具有自動組網(wǎng)功能。其主要功能引腳如表1所示。

1．1 ZigBee模塊與PIC單片機接口設計
    ZigBee模塊與PIC單片機的通信采用TTL電平下的串行通信方式(圖1)，即ZigBee模塊的TXD、RXD分別與PIC18F87K22的RX2、TX2對應相連。ZigBee模塊在系統(tǒng)中的工作模式為透明模式+AT命令模式，當按透明模式工作時，所有從ZigBee串口RXD管腳收到的數(shù)據(jù)將通過RF射頻發(fā)送出去，而所有從空中接收的數(shù)據(jù)將直接發(fā)送到ZigBee串口的TXD管腳。當ZigBee模塊按AT命令模式工作時，可通過AT命令讀取和設置ZigBee模塊的工作模式、串口波特率、64位目的地址以及PAN ID值等相關參數(shù)。

1．2 護理機網(wǎng)絡通信協(xié)議
    護理機主控板主控芯片采用的是PIC18F87K22，單片機編程采用MPLAB IDE V8．63完成。作為數(shù)據(jù)檢測終端的下位機(各病房的護理機)正常工作時主動向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)送信息，各ZigBee通訊模式采用“透明模式”；上位機向下位機發(fā)送信息時，ZigBee通訊模式采用“AT命令模式”。數(shù)據(jù)發(fā)送方式采用“MSB方式”，即先發(fā)送高字節(jié)，再發(fā)送低字節(jié)。網(wǎng)絡通信協(xié)議的幀格式如表2、表3所示，其中機器身份碼選用ZigBee模塊出廠時的ID號，這樣不會造成地址沖突。

1．3 ZigBee網(wǎng)絡的建立過程
    在一個ZigBee網(wǎng)絡中的所有ZigBee模塊必須具有相同的PAN ID和信道，而且網(wǎng)絡中有且只能存在一個協(xié)調(diào)器(Coordinator)，協(xié)調(diào)器用于網(wǎng)絡的搭建。當協(xié)調(diào)器上電數(shù)秒后網(wǎng)絡才開始啟動，協(xié)調(diào)器將是網(wǎng)絡的第一個節(jié)點，此后，各路由器(Router)可以與協(xié)調(diào)器進行連接并加入到網(wǎng)絡中來，且加入到網(wǎng)絡中的路由器將允許其它路由器通過連接自己而加入到網(wǎng)絡中，整個網(wǎng)絡中的任意兩個節(jié)點都可以進行點對點通訊，并且網(wǎng)絡中的任何一個節(jié)點都可以向網(wǎng)絡中的所有節(jié)點進行廣播；一個模塊能否加入網(wǎng)絡在于其通訊距離內(nèi)是否己存在加入網(wǎng)絡中的節(jié)點?？紤]到星形網(wǎng)的控制和同步相對比較簡單，因此系統(tǒng)設計時選用了星型網(wǎng)絡方式組網(wǎng)(圖2)。該網(wǎng)以一個功能強大的FFD協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡中心，負責協(xié)調(diào)全網(wǎng)工作，其它的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(護理機)分布在其覆蓋范圍內(nèi)。具體實現(xiàn)組網(wǎng)時，首先通過廠家提供的HAC-Studio上位機軟件，利用AT命令設置所有入網(wǎng)的ZigBee設備，使它們具有相同的信道和PAN ID值，然后將協(xié)調(diào)器設備與上位監(jiān)控PC機相連，并使兩者設置有相同的通信口、波特率、校驗位等通信參數(shù)，最后通過基于API的Windows多線程串口編程，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與上位PC機監(jiān)控管理程序的通信。上電后整個組網(wǎng)過程是自動進行的，無需人工干預。

    本文設計的基于ZigBee的護理機智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，整個網(wǎng)絡的通信工作流程規(guī)定如下：
    (1)下位機待機時，每隔5s，發(fā)送身份號(ID)和狀態(tài)數(shù)據(jù)到上位機。
    (2)下位機工作時，每隔500ms通過ZigBee模塊發(fā)送身份號和當前工作數(shù)據(jù)到上位機。
    (3)上位機在添加一個新的下位機ID(入網(wǎng)身份證號)時，主動發(fā)送命令字給下位機，然后需等待下位機的應答，若10s內(nèi)下位機無對此命令的應答，應重復給下位機發(fā)送此命令。超過15s上位機未接收到下位機的應答信息，將提示與該下位機連接不成功(即認為下位機不在網(wǎng)絡內(nèi))。
1．4 協(xié)調(diào)器與上位機軟件的通信
    ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器與上位機監(jiān)控軟件的通信是通過深圳市華奧通通信技術有限公司的HAC-DEV開發(fā)測試板連接完成的。HAC-DEV開發(fā)測試板是HAC-LBee ZigBee的測試開發(fā)裝置，它能夠直接和HAC-LBee系列的ZigBee模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器就是安裝在HAC-DEV開發(fā)測試板上的(圖3)，因此PC機串口的波特率、校驗位等需要與ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的一致，這樣才能保證硬件連接的成功。在協(xié)調(diào)器與上位監(jiān)控PC機連接成功后，要實現(xiàn)真正的通信，必須通過上位機軟件對PC機串口編程來完成。

2 上位機監(jiān)控軟件設計
2．1 基于API的Windows多線程串口通信
    多線程是指同一個程序中可以同時執(zhí)行多個任務，通過多線程可以將整個任務分成幾個線程，同時執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的效率。在多線程環(huán)境下，許多線程需要訪問同一資源，而且事件發(fā)生往往有先后順序，因此，線程間需要通信控制。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的存取以及公共變量的訪問，都涉及到線程間的通信，必須使用同步化機制，防止線程訪問沖突。在實際實現(xiàn)過程中，系統(tǒng)利用了臨界區(qū)，它是保證在同一時間只有一個線程可以訪問某一資源的有效方法。在使用臨界區(qū)時，需要給各線程提供一個共享的臨界區(qū)對象。臨界區(qū)具體使用步驟如下：1)聲明對象；2)初始化對象；3)進入臨界區(qū)；4)離開臨界區(qū)。同樣在本系統(tǒng)中，為了保證線程訪問安全，設置了多個臨界區(qū)對象，包括：串口通信臨界區(qū)m_csCommunicationSync、數(shù)據(jù)庫ADO組件訪問臨界區(qū)critical for ado、護理機結構鏈表臨界區(qū)對象critical for list等。為保證串口收發(fā)數(shù)據(jù)的高效性，在充分分析多線程技術和API異步操作串口方式的特點之后，本系統(tǒng)將串口的數(shù)據(jù)收發(fā)采用單獨的線程處理。
    系統(tǒng)串口通信采用事件通知方式，該方式是Windows下效率較高的一種方式。主線程在打開串口后首先設置要監(jiān)視的串口通信事件，然后將監(jiān)視線程打開，用來監(jiān)視主線程設置的這些串口通信事件是否發(fā)生，當其中的某個事件發(fā)生后，監(jiān)視線程要能根據(jù)不同的事件類型進行處理。
2．2 護理機監(jiān)控功能的實現(xiàn)
    按照護理機的無線遠程監(jiān)控要求，在上位監(jiān)控PC機中需要完成以下功能：
    (1)重要監(jiān)測參數(shù)的顯示。在監(jiān)控界面的顯示區(qū)能實時顯示護理機的重要監(jiān)測信息(護理機所在科室及床位號、檢測數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)、報警狀態(tài)等)。
    (2)系統(tǒng)配置。管理員(如護士長)能“動態(tài)”地完成系統(tǒng)通信端口的配置和使用單位名稱(如醫(yī)院名稱)配置。
    (3)用戶管理配置。管理員能“動態(tài)”地增添用戶，并設置用戶的權限和初始密碼，管理員能注銷除了“當前登錄管理員”以外的所有用戶。所有用戶在登錄后可以修改自己的登錄密碼。
    (4)網(wǎng)絡設備配置。管理員能“動態(tài)”地向無線網(wǎng)絡中“注冊”或“注銷”某一護理機(包括該護理機的ID號、所屬科室名稱、所處病房號和床位號)。
    (5)具有數(shù)據(jù)報表查詢和打印功能。系統(tǒng)能對監(jiān)控過程中重要事件進行記錄，并能實現(xiàn)對這些信息的條件查詢和打印功能。這些重要事件包括用戶登錄或退出時的用戶名及時間；護理機狀態(tài)改變及時間。任何當前用戶均能點擊監(jiān)控主界面的“報表查詢”菜單，能分別按“時間”、“用戶名”、“床位號”查詢以往所有數(shù)據(jù)庫中記錄的值班期間的所有監(jiān)測信息。此功能的實現(xiàn)主要是通過數(shù)據(jù)庫結合報表的設計來實現(xiàn)的。
    通過對上位機監(jiān)控軟件的功能分析，首先確定其由“主線程”、“通信處理線程”、“語音處理線程”等部分組成，然后進行各部分功能細化，最后，按照模塊化功能用C++Builder編程實現(xiàn)。為提高數(shù)據(jù)處理效率，在通信處理軟件設計部分，開辟了單獨的“數(shù)據(jù)接收線程”和“數(shù)據(jù)處理線程”，處理線程將接收線程接收的下位機所有數(shù)據(jù)進行校驗處理，并將下位機工作數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，最后根據(jù)與上次工作數(shù)據(jù)比較，確定是否更新“主線程目錄樹”。主線程根據(jù)用戶需求，實時地從數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)顯示，同時主線程還要能完成護理機“入網(wǎng)注冊”、“注銷”、“操作員的配置”以及對下位機數(shù)據(jù)的“按條件報表查詢”等功能。此外，考慮到現(xiàn)在的PC機通常采用USB通信方式，因此針對ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器與上位機的連結采用了“USB轉(zhuǎn)串口”方式，本系統(tǒng)還設計了USB串口熱插拔功能，當更換不同的USB連接口時，上位機通過C++Builder編程能自動獲取串口COM的串口號，使上位機監(jiān)控軟件的應用非常通用化。圖4為用C++Builder編寫的上位機監(jiān)控主界面，鑒于篇幅因素，本文以具有代表性的“護理機監(jiān)測參數(shù)顯示”和“護理機動態(tài)注冊注銷功能”為例，介紹其實現(xiàn)過程。

2．2．1 護理機監(jiān)測參數(shù)的顯示
    系統(tǒng)要求當點擊“按病床位瀏覽”顯示的目錄樹時，只有點擊注冊護理機對應的床位時，才能顯示該護理機的重要信息，并且要顯示護理機所在科室及床位號；當點擊“按病房號瀏覽”目錄頁時，只有點擊注冊護理機對應的病房號時才會顯示在此病房下所有護理機的信息。除了護理機重要工作參數(shù)需要顯示外，護理機報警狀態(tài)、離線狀態(tài)也需要突出顯示。其中，報警信息采用了紅色字體閃爍方式顯示；離線狀態(tài)采用了灰色字體顯示。
    該功能的實現(xiàn)用到了TreeView目錄樹的單擊事件，此外，系統(tǒng)有專門負責根據(jù)節(jié)點信息，調(diào)取數(shù)據(jù)庫中對應節(jié)點護理機信息的定時器，通過定時器不斷獲取節(jié)點最新數(shù)據(jù)進行顯示；通過單擊事件處理函數(shù)，判斷是否是單擊的對應節(jié)點，如果點擊的是按病房瀏覽方式中的病房節(jié)點，則先取出該病房下第一個子節(jié)點信息，并將第一個GroupBox設置為可視，再取后面的子節(jié)點，操作類似，直到第四個子節(jié)點。當點擊的是“按床位瀏覽”方式下的床位節(jié)點時，先獲取此節(jié)點數(shù)據(jù)信息，然后將第一個GroupBox設為可視，最后根據(jù)節(jié)點信息，定時器會查詢數(shù)據(jù)庫中對應護理機的工作參數(shù)進行數(shù)據(jù)顯示。其操作流程如圖5所示，實時監(jiān)測參數(shù)顯示界面如圖4所示。

2．2．2 護理機動態(tài)“注冊”“注銷”功能
    根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)管理員能夠動態(tài)地“注冊”要求入網(wǎng)監(jiān)控的護理機或“注銷”不需要監(jiān)控的護理機。在注冊成功后，如果注冊護理機確實存在，并且成功加入網(wǎng)絡，那么監(jiān)控界面應能接收和發(fā)送對應護理機的信息，并能查看其工作狀態(tài)信息；而在注銷護理機后，即使下位機有信息發(fā)送過來，監(jiān)控軟件也不予以處理，將此信息丟棄。護理機入網(wǎng)絡管理實現(xiàn)界面如圖6所示：

    具體實現(xiàn)是：“注冊”時，根據(jù)護理機注冊信息，將其寫入數(shù)據(jù)庫相關護理機信息表中；“注銷”時，將要注銷的護理機信息從信息表中刪除。在接收數(shù)據(jù)線程中，接收：每幀數(shù)據(jù)時，檢驗幀中關于護理機ID的信息，判斷其是否與表中的對應，如果對應就實時更新護理機工作數(shù)據(jù)表中的護理機數(shù)據(jù)記錄，否則就直接丟棄，不作處理。在注冊、注銷按鈕動作中，將目錄樹進行重繪，這樣就實現(xiàn)了注冊注銷護理機的實時性顯示。注冊操作流程如圖7所示，實現(xiàn)程序略。

3 系統(tǒng)測試
    為測試基于ZigBee的病房護理機遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，我們在護理機測試車間用5臺護理機組網(wǎng)調(diào)試，系統(tǒng)連續(xù)運行30天無故障(中間模擬停電30次，上電后，重新啟動系統(tǒng))。

4 設計小結
    綜上所述，基于ZigBee的病房護理機遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)在通用性和管理功能方面都是非常高的，其突出特點是實現(xiàn)了護理機的“無人護理”功能，在很大程度上解決了我國目前陪護人員緊缺和護理費用高昂等亟待解決的問題，具有廣闊的銷售渠道和市場空間，將會產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益和社會效益，是造福弱勢群體和改善社會民生的好產(chǎn)品。