一種醫院患者戶外無線監護系統及其患者定位方法
2023-07-15 16:55:11 2
專利名稱：一種醫院患者戶外無線監護系統及其患者定位方法
技術領域：
本發明涉及醫療監護技術領域，尤其涉及一種醫院患者戶外無線監護系統 及其患者定位方法。
背景技術：
對於危重病人和具有猝發性危險的病人實行個體跟蹤護理監測，在國外開 始於三、四十年代。當時完全依賴於護理人員的直接看護，並無任何儀器。五 十年代，由於電晶體的誕生，醫療儀器體積縮小、成本降低，開始出現血壓、 呼吸、體溫等生命體徵參數的現場監測儀器。在這一領域，長期處於技術領先
地位的是德國西門子(SIEMEMS)公司。六十年代，西門子公司率先推出第一代 有線遙控醫護監測儀，可監測心電圖、血壓、呼吸、體溫等生理參數，但儀器 的體積較大，且測量精度及可靠性不高。
進入九十年代後，隨著超大規模集成電路的廣泛使用以及計算機技術、計 算機網絡通信技術的發展，使得醫療監護儀的性能上了一個新的臺階，醫療監 護設備不僅從模擬設備變成了數字設備，而且在測量的精確度和準確度上都有 了顯著的提高。此外，從各個設備的獨立工作變成了各個設備共同組成一套分 布式的系統，醫生從辦公室的計算機屏幕上即可了解患者相關生理參數。
進入二十一世紀後，隨著人們對優質醫療服務需求的日益增長，人們已經 不滿足於僅僅局限於室內的有線醫療監護系統。無線通信技術的蓬勃發展，特 別是無線傳感器網絡技術的發展，為滿足人們的這一需求提供了有力的技術支 持。
廣大工程技術人員對這一新興領域進行了很多有益的探索，也產生了很多 科研成果，其中最具代表性的成果如下
1、 發明專利"基於無線傳感器網絡的醫療監護系統、裝置及方法" (CN200410009853.8)提出採用無線傳感器網絡構成微微網對患者的生理數據
進行傳輸。
2、 發明專利"一種數字醫療監護系統"(CN200610122088.X)提出將監護 數據通過無線傳輸，並通過GPS對患者進行定位。
3、 發明專利"基於ZigBee的病房無線監護系"(CN200810199072.8)提出一 種採用ZigBee無線技術的可穿戴的室內監護系統。
上述有益探索的技術路線是正確的，但存在諸多局限，需作進一步的改進。成果1雖然採用了無線傳感器網絡作為傳輸手段，但是由於缺乏國際標準的支 持，使得系統缺乏兼容性，同時也在無形中提高了系統的維護成本。其次，在 醫院、家庭、社區建立起多個基於無線傳感器網絡的微微網對患者進行監護， 但缺乏有效地定位機制， 一旦發現患者出現生理異常卻無法得知醫院外的患者
身居何處，醫療監護也就失去了它的意義。成果2雖採用GPS定位，但相對醫療 監護設備有限的供電能力來說GPS晶片的功耗過大，而且GPS費用亦較高。成果 3基於ZigBee技術的可穿戴監護系統雖然極大地提高了對患者的醫療服務質量， 但是其監護範圍過小僅僅局限於室內，這極大的限制了患者的活動範圍，降低 了患者的醫療體驗。
綜觀現有患者戶外無線監護系統，在無線傳輸和儀表供電方面的高可靠性 和高可用性方面均存在缺陷，缺乏有效的解決方案。由此可見， 一種更合理的 患者監護方案需具備如下特點1、無線通信採用國際標準，同時考慮到中國國 情應採用2.4GHz頻段為宜。2、戶外患者的監護設備的功耗較小。3、對戶外活 動患者的監護應具備定位功能。4、設備在無線傳輸和儀表供電方面應具備高可 靠性和高可用性。
發明內容
本發明的目的是針對現有醫院患者戶外監護系統的不足，提供一種醫院患 者戶外無線監護系統及其患者定位方法。
醫院患者戶外無線監護系統是上位機通過乙太網和GPRS網絡與雙模無線 傳輸系統相連；雙模無線傳輸系統通過RS232串口與ZigBee無線傳感器網絡相連 接。雙模無線傳輸系統的內部連接關係為電源電壓轉換模塊與WLAN模塊和 GPRSDTU模塊相連。ZigBee無線傳感器網絡由協調器節點、參考節點、患者定 位和生理參數採集節點三部分組成；協調器節點、參考節點、患者定位和生理 參數採集節點通過2.4GHz無線網絡相互連接；協調器節點作負責ZigBee無線傳 感器網絡的建立以及在ZigBee無線傳感器網絡和雙模無線傳輸系統之間的數據 轉發。協調器節點的內部連接關係為CC2430集成晶片分別與串口電平轉換模 塊、電源電壓轉換模塊、最小系統外圍電路相連。參考節點的內部連接關係為 CC2430集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、鍵盤輸入模塊、電源電壓轉換 模塊、OLED顯示模塊相連患者定位和生理參數採集節點的內部連接關係為 CC2431集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、電源電壓轉換及檢測模塊、 OLED顯示模塊、緊急報警按鍵模塊、串口電平轉換模塊相連；患者生理參數採 集模塊分別與串口電平轉換模塊、電源電壓轉換及檢測模塊連接；患者定位和生理參數採集節點採用鋰電池和備用紐扣電池供電。
所述的CC2430集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2430集成 晶片的引腳20、 7、 47、 41相連後與數字電路電源DVDD—3.3V、電容C411、 電容C71的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；引腳42與電容C421 的一端相連，電容C421的另一端接地；引腳10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD_3.3V相連；引腳23與數字電路電源DVDD—3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地；引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；弓,19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電 容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感Ll的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感Ll的另一端相連，弓,32與電感L2及電感L4的另一端相連， 電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連; 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容CIOI、電容C371的一端相連，電容Cll、電容CIOI、電容C371 的另一端接地。
所述的CC2431集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2431集成 晶片的引腳20、 7、 47、 41相連後與數字電路電源DVDD一3.3V、電容C411、 電容C71的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；引腳42與電容C421 的一端相連，電容C421的另一端接地；引腳10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD一3.3V相連；弓|腳23與數字電路電源DVDD—3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地;引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；弓I腳19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感Ll的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感Ll的另一端相連，弓l腳32與電感L2及電感L4的另一端相連， 電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連； 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容C101、電容C371的一端相連，電容Cll、電容C101、電容C371 的另一端接地。
所述的電源電壓轉換及檢測模塊的電路為鋰電池和紐扣電池的負端接地; 鋰電池的正極與繼電器的引腳5常開觸點以及引腳1COM端相連；紐扣電池的 正極與繼電器的引腳4常閉觸點相連；繼電器引腳3、弓l腳8接地；繼電器引腳
7常閉觸點接VCC;繼電器引腳10COM端接電阻R20的一端，電阻R20的另 一端與電容C16、電容C9、電容C17的一端、引腳3相連後接地；引腳6常開 觸點接患者生理參數採集模塊的引腳4、電源電壓轉換晶片TPS79533的引腳1、 引腳2，電阻R21的一端，電容C16、電容C9的另一端相連；電阻R21的另一 端接CC2431的引腳1及電阻R22的一端，電阻R22的另一端接地；TPS79533 的引腳5接電容C17的另一端;TPS79533的引腳4接VCC以及發光二極體LED1 的正極，發光二極體LED1的負極接電阻R19的一端，電阻R19的另一端接地。 醫院患者戶外無線監護系統的患者定位方法是-
1) 患者定位和生理參數採集節點以廣播的形式，向一跳範圍內的ZigBee無 線傳感器網絡參考節點發出定位請求；
2) 參考節點在接受到請求後，獲取信號的RSSI值，記為RSSIbund—i ，其中i 為患者定位和生理參數採集節點的ZigBee短地址，參考節點更新RSSI庫，RSSI庫 中若不存在RSSIb化di條目，則創建RSSIwind」條目，建立長度為10-20的隊列，將 RSSIwMi值寫入隊首，將RSSIb^d—i值作為RSSI,(,列的平均值記為 RSSIblindave—i，若RSSIb^j在隊列的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入
RSSIbtodj值，並求其平均值作為RSSIbUnd,j的值，若RSSIb^di的個數達到隊列
長度，則剔除隊首RSSIwi《i值，將隊首的後一項作為新的隊首，將最新的RSSIbu《i
值寫入隊尾，並求該隊列的平均值作為RSSI^d一avei的值，完成RSSIwinf—i計算
後，系統査詢是否啟動定時，若有則重置定期器，重新進行定時，若沒有則啟
動定時器，如果定時則在資料庫中刪除RSSIbHnd—i條目；
3) 根據RSSI庫中的周圍其他節點參考節點的RSSI平均值，記為RSSIref一avej ，
其中j為相應的參考節點的ZigBee短地址，根據公式M, = SI RSSIblindave_i -RSSIref—aveJ l計算出Manhattan差異值，其中i為參考節點的
ZigBee短地址，如果RSSI庫還不存在RSSI《ave」值則M,-NULL;
4) 參考節點以廣播的形式向一跳範圍內的所有節點發送M,值和坐標值；
5) 參考節點將接收到M,值和坐標值時，獲取信號的RSSI值，記為RSSW」， 其中j為發送Mj值和坐標值的參考節點的ZigBee短地址，參考節點更新RSSI庫，
若RSS脾中不存在RSSIrefj條目，則創建RSSIref」條目，建立長度為10-20的隊列，
將RSSW」值寫入隊首，將RSSW」值作為RSSW」隊列的平均值記為RSSW^j， 若RSSI^」在隊列中的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入RSSI^」值，並求其
平均值作為RSSW,e」的值。若RSSIrefj的個數達到隊列長度，則剔除隊首RSSW」
值，將隊首的後一項作為新的隊首，將最新的RSSWj值寫入隊尾，並求該隊列
的平均值作為RSSW^j的值；
6)患者定位和生理參數採集節點在接收到M,值和坐標值後，根據公式
(Za^w/w/ tan ， ^A^ot/kW tan )—
^-"x, +《義2 +.......m; m「";k, +《72 +.......m; 、
得出
《+ m2_a +......m;" m,-。 + m2—a +……m;a
Manhattan差異的坐標估計值，其中cx為權重因子，若i^的值都不存在，則 (;—皿,L,J"16383.75，16383.75)，網絡患者定位和生理參數採集節點對接收 到的信號的RSSI值進行上下限濾波處理後，若RSSI有效值的個數小於3個，貝U (i—,。 ，^。 。 ) = (16383.75，16383.75)，若RSSI有效值的個數大於3個，則對這些RSSI 有效值進行排序，選取其中的最小值，將其對應的信息的坐標值X、 Y以及存儲 在系統中的環境因子A、 N這四個參數送入網絡患者定位和生理參數採集節點芯 片CC2431的LocationEngine中進行計算，得出當前網絡患者定位和生理參數採 集節點坐標的估計值(^^,。 ，4^,。 )，在得出(^^。(13 ,]^ (1。^)及(;^0￡。,,0 ,}^。,,。 )後根 下述公式進行數據融合，
義MmA"' tan ① 義ioo;"o/1 (2) A^。o;"ort +(1-々)^^。"/|加加(3) 4/ =
A涵/w/tan + (1 _ /)^Lo加柳(4)
16383.75 (5)
Aoa "'(w V"乂 + (l-");tota (3) A編。'tan + (1 - /)^。<;。"0" (4)
16383.75 (5)
其中^，"都為權重因子，當X一,。n或y一,。"值無效時採用公式(1)，當^^。'tan 或y,。'tan值無效時採用公式(2)，當計算Mi時RSSI^值個數未達到隊列長度時或
者A。一或L。自值小於3m時採用公式(3)，當計算Mi時RSSI^值個數達到隊列 長度時或者X她由^或]^w大於3m時用公式(4)當J^c。咖、J^油^或4^。"、
y^。,tan值無效時採用公式(5)，在完成定位後將定位信息、患者生理參數信息、
10報警信息通過原碼補碼校驗的方式發生至協調器節點，並通過雙模無線傳輸系 統傳輸至上位機。
本發明在無線傳輸和設備供電方面具備高可靠性和高可用性。定位採用
Manhattan差異值定位和Location Engine定位的融合方法，通過平均值濾波提高了 Manhattan差異值定位的可靠性，通過限幅濾波提高了Location Engine定位的準確 度。此外，通過數據融合能夠有效地減少無效數據，融合採用加權算法，提高 了定位的精度和準確性。雙模無線傳輸系統，能夠大大提高傳輸的安全性，降 低系統運行的費用。在正常情況下採用WLAN模塊進行傳輸，當WLAN模塊出 現故障時則採用GPRS模塊傳輸，在解除WLAN故障之後，則重新使用WLAN模 塊進行傳輸。
圖1是一種醫院患者戶外監護系統結構框圖2是雙模無線傳輸系統結構框圖3是無線傳感器網絡結構框圖4是協調器節點結構框圖5是參考節點結構框圖6是患者定位和生理參數採集節點結構框圖7是CC2430集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路圖8是CC2431集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路圖9是電源電壓轉換及檢測模塊的電路圖10是協調器節點的流程圖ll是參考節點的流程圖12是患者定位和生理參數採集節點的流程圖13(a)是上位機護士長站軟體流程圖13(b)是上位機住院登記護士站軟體流程圖13(c)是上位機值班護士站軟體流程圖。
具體實施例方式
如圖1 6所示，醫院患者戶外無線監護系統是上位機通過乙太網和GPRS 網絡與雙模無線傳輸系統相連；雙模無線傳輸系統通過RS232串口與ZigBee無 線傳感器網絡相連接。雙模無線傳輸系統的內部連接關係為電源電壓轉換模 塊與WLAN模塊和GPRS DTU模塊相連。ZigBee無線傳感器網絡由協調器節 點、參考節點、患者定位和生理參數採集節點三部分組成；協調器節點、參考節點、患者定位和生理參數採集節點通過2.4GHz無線網絡相互連接；協調器節 點作負責ZigBee無線傳感器網絡的建立以及在ZigBee無線傳感器網絡和雙模無 線傳輸系統之間的數據轉發。協調器節點的內部連接關係為CC2430集成晶片 分別與串口電平轉換模塊、電源電壓轉換模塊、最小系統外圍電路相連。參考 節點的內部連接關係為CC2430集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、鍵盤 輸入模塊、電源電壓轉換模塊、OLED顯示模塊相連患者定位和生理參數採集節 點的內部連接關係為CC2431集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、電源電 壓轉換及檢測模塊、OLED顯示模塊、緊急報警按鍵模塊、串口電平轉換模塊相 連；患者生理參數採集模塊分別與串口電平轉換模塊、電源電壓轉換及檢測模 塊連接；患者定位和生理參數採集節點採用鋰電池和備用紐扣電池供電。
如圖7所示CC2430集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2430 集成晶片的引腳20、 7、47、41相連後與數字電路電源0￥00_3.3￥、電容0411、 電容C71的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；引腳42與電容C421 的一端相連，電容C421的另一端接地；引腳10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD—3.3V相連；弓,23與數字電路電源DVDD_3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地；引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；引腳19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電 容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感Ll的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感Ll的另一端相連，弓l腳32與電感L2及電感L4的另一端相連， 電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連； 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容C101、電容C371的一端相連，電容Cll、電容C101、電容C371 的另一端接地。
如圖8所示CC2431集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2431 集成晶片的引腳20、 7、47、41相連後與數字電路電源DVDD一3.3V、電容C411、 電容C71的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；引腳42與電容C421的一端相連，電容C421的另一端接地；引腳10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD_3.3V相連；弓,23與數字電路電源DVDD_3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地；引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；弓I腳19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電 容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感L1的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感Ll的另一端相連，弓l腳32與電感L2及電感L4的另一端相連， 電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連; 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容CIOI、電容C371的一端相連，電容Cll、電容CIOI、電容C371 的另一端接地。
如圖9所示電源電壓轉換及檢測模塊的電路為鋰電池和紐扣電池的負端 接地；鋰電池的正極與繼電器的引腳5常開觸點以及引腳1C0M端相連；紐扣 電池的正極與繼電器的引腳4常閉觸點相連；繼電器引腳3、弓l腳8接地；繼電 器引腳7常閉觸點接VCC;繼電器引腳10COM端接電阻R20的一端，電阻R20 的另一端與電容C16、電容C9、電容C17的一端、引腳3相連後接地；弓l腳6 常開觸點接患者生理參數採集模塊的引腳4、電源電壓轉換晶片TPS79533的引 腳l、引腳2，電阻R21的一端，電容C16、電容C9的另一端相連；電阻R21 的另一端接CC2431的引腳1及電阻R22的一端，電阻R22的另一端接地； TPS79533的引腳5接電容C17的另一端；TPS79533的引腳4接VCC以及發光 二極體LED1的正極，發光二極體LED1的負極接電阻R19的一端，電阻R19 的另一端接地。其工作原理是當鋰電池電力充足時，繼電器得電，常閉端吸 合，鋰電池直接向患者生理參數採集模塊及ZigBee患者定位和生理參數採集節 點模塊供電。當鋰電池電力不足時，繼電器由於電流及電壓不足而失電，繼電 器常開端吸合。鋰電池停止供電，轉由備用紐扣電池直接向ZigBee患者定位和 生理參數採集節點的CC2431集成晶片和最小系統外圍電路單元供電。在電源轉 換過程中，ZigBee患者定位和生理參數採集節點模塊晶片CC2431的引腳1上的電平在由3.3V變為0V的過程中產生一個下降沿引起CC2431晶片內部中斷， 中斷產生後將觸發報警事件。
如圖10所示，協調器節點工作流程為在系統完成初始化後，協調器節點 作為協調器開始創建ZigBee網絡。完成創建ZigBee網絡後系統OS對各個線程 進行循環掃描。在協調器節點線程中，如果串口有數據輸入，則讀取數據內容 並對其進行校驗，如果通過校驗則在ZigBee網絡中發送該命令，如果沒有通過 校驗則系統向上位機發出重新發送請求。在協調器節點線程中，如果接收到 ZigBee網絡信息，對接收到的信息進行原碼反碼校驗，其原理是將發送的數據 長度擴大一倍，前半部分為原碼，後半部分為反碼，校驗時將原碼和反碼進行 異或，如果結果為0，則說明數據發送正確，如果不為O,則說明數據發送時出 錯。在進行原碼反碼校驗後，如果校驗結果不為0，則向上一跳發出重發請求。 如果校驗結果為0，則系統根據簇標示符對信息進行分類處理。在完成這些處理 後把這些數據進行打包。如果WLAN模塊可以運行，則通過太網將數據傳至上 位機，如果WLAN模塊不可以運行，則利用GPRS DTU模塊通過GPRS網絡將 數據傳輸至上位機。
如圖11所示，參考節點工作流程如為在系統完成初始化後，系統開始查
找ZigBee協調器，如果沒有找到延時5秒後繼續査找，直到找到ZigBee協調器 為止。査找到ZigBee協調器後，系統OS對各個線程進行循環掃描，如果在參 考節點線程中發現有鍵盤按下在OLED中顯示按鍵內容，如果按下確定鍵後， 系統會對按鍵內容的正確性進行判斷，如果不符合要求系統提示按鍵錯誤並要 求重新輸入，如果輸入內容正確係統將讀取按鍵的坐標值並存入flash中。如果 在參考節點線程接收到ZigBee網絡信息，則根據簇標識符進行分類處理。如果 是坐標査詢信息，則系統向請求節點返回存在flash中的坐標值，如果坐標值不 存在則返回默認值(^ = (16383.75,16383.75)。如果是坐標配置信息則將新的坐標 值寫入flash。如果是定位信息，參考節點獲取信號的RSSI值(記為RSSIb^dj ， 其中i為患者定位和生理參數採集節點的ZigBee短地址)，參考節點更新RSSI 庫,RSSI庫中若不存在RSSIb^i條目，則創建RSSI函di條目，建立長度10-20 的隊列，將RSSI,d—i值寫入隊首，將RSSI她d—i值作為RSSIblind—j隊列的平均值 記為RSSIblindaveJ，若RSSIwind一i在隊列的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入 RSSI咖dj值，並求其平均值作為RSSIblindave—i的值。若RSSIblind」的個數達到隊 列長度，則剔除隊首RSSIbHndj值，將隊首的後一項作為新的隊首，將最新的 RSSIbtodi值寫入隊尾，並求該隊列的平均值作為RSSIwM^i的值，完成RSSIblind—avej計算後，系統査詢是否啟動IOS定時，若有則重置定期器，重新進 行10S定時，若沒有則啟動定時器。如果定時則在資料庫中刪除RSSIbH(i條目；
參考節點根據RSSI庫中的周圍其他節點參考節點的RSSI平均值，記為
RSSIref ave」，其中j為相應的參考節點的ZigBee短地址，根據公式
M = &RSSIblind—ave—; -RSSIref—ave」|計算出Manhattan差異值，其中i為參考節點
的ZigBee短地址，如果RSSI庫還不存在RSSIrefave」值則Mi-NULL;在計算出 M,後參考節點以廣播的形式向一跳範圍內的所有節點發送Mj值和坐標值。如果 參考節點接收到Mi值和坐標值，獲取信號的RSSI值(記為RSSIref」，其中j為 發送Mi值和坐標值的參考節點的ZigBee短地址)參考節點更新RSSI庫，若RSSI 庫中不存在RSSWj條目，則創建RSSIref」條目，建立長度10-20的隊列，將 RSSIref」值寫入隊首，將RSSIrefj值作為RSSIrefj隊列的平均值記為RSSIref—ave」， 若RSSWj在隊列中的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入RSSVj值，並求 其平均值作為RSSIrefJave」的值。若RSSIrefJ的個數達到隊列長度，則剔除隊首 RSSIrefj值，將隊首的後一項作為新的隊首，將最新的RSSW」值寫入隊尾，並 求該隊列的平均值作為RSSIref—aveJ的值；如果是路由信息，則對接收到的數據 進行原碼反碼校驗，如果校驗結果不為O，則向上一跳發出重發請求。如果校驗 結果為0，則根據路由鍊表向下一跳發送數據直到成功發送數據位置。
如圖12所示，患者定位和生理參數採集節點系統工作流程如下在系統完成 初始化後，系統開始查找ZigBee協調器，如果沒有找到延時5秒後繼續查找，直 到找到ZigBee協調器為止。査找至!lZigBee協調器後，系統OS對各個線程進行循 環掃描。如果生理參數採集和定位線程中，串口有數據輸入，則系統通過DMA 將串口數據讀入緩存，並對緩存內的數據進行處理，如果完成一幀數據的，則 根據協議規則對讀取的數據進行校驗。如果生理參數採集和定位線程中，患者 緊急報警按鍵被按下，則系統產生報警事件，並啟動一個10秒鐘的報警定時。 系統根據時隙機制，在報警時隙內向ZigBee網絡向協調器節點發送患者緊急報 警信息，協調器節點將接受到的信息轉發至上位機。上位機在接收到報警信息 後，向ZigBee患者定位和生理參數採集節點發出確認信息。在接收到上位機確 認信息後系統停止發送報警信息並取消報警定時，如果系統在10秒鐘內沒有接 受到來自上位機的確認信息，則系統重新進行報警。如果生理參數採集和定位 線程中，CC2431晶片管腳1有中斷信號，OLED顯示電池即將耗盡信息。同時系 統產生報警事件，並啟動一個10秒鐘的報警定時。系統根據時隙機制，在報警 時隙內向系統向上位機發出電池即將耗盡的報警信息，在接收到上位機確認信息後系統停止發送報警信息並取消報警定時，如果系統在10秒鐘內沒有接受到
來自上位機的確認信息，則系統重新進行報警。如果生理參數採集和定位線程
接收到ZigBee網絡信息，系統根據簇標示符對信息進行分類處理。如果是定位 信息，根據公式
:「M「"J^ + M2-"Z2 +.......AZ/Zw A/rK + A/2—"y2 +…….il^Tw )符屮
Manhattan差異的坐標估計值，其中a為權重因子，若iV^的值都不存在，則 (^。自an,;w) = (16383.75,16383.75)，網絡患者定位和生理參數採集節點對接收 到的信號的RSSI值進行上下限濾波處理後，若RSSI有效值的個數小於3個，則 (^。加,。 ，4^。 ) = (16383.75，16383.75)，若RSSI有效值的個數大於3個，則對這些RSSI 有效值進行排序，選取其中的最小值，將其對應的信息的坐標值X、 Y以及存儲 在系統中的環境因子A、 N這四個參數送入網絡患者定位和生理參數採集節點芯 片CC2431的LocationEngine中進行計算，得出當前網絡患者定位和生理參數採 集節點坐標的估計值(^。咖。 ,&。加,。 )。在得出(義她w，J^A—)及(^^細，Kw)後根 下述公式進行數據融合，
^^Mm/w' tan (1) y厶。co/柳 (2) A^oo "ort + (1 -々)X油淑tan (3) =
(4)
16383.75 (5)
^/"/ra/ t加 ① ioc加o" 、"乂 十(l-Ltan(3) y^/ato, t加+ (1 一屍)^ioc如on (鬥)
16383.75 (5)
其中"，7都為權重因子。當J4^自或1^自值無效時採用公式(1)，當Zwtan 或&自^值無效時採用公式(2),當計算Mi時RSSIf。f」值個數未達到隊列長度時或
者1^,。"或1。《。 值不在Manhattan差異值定位的最佳採用坐標區域時採用公式 (3)，當計算Mj時RSSIref」值個數達到隊列長度時或者ZM。 A。<tan或yMatetan在 Manhattan差異值定位的最佳採用坐標區域內時採用公式(4)當J^自。"、J^一,皿或 1^。h。^值無效時採用公式(5)。如果是定位參數配置信息則將新的參數 寫入flash中。如果是患者生理參數採集模塊的配置信息在通過校驗後通過串口 向患者生理參數採集模塊傳輸，若沒有通過校驗則發送重傳請求。在生理參數 採集和定位線程中數據的採用和發送採用時隙機制。在系統完成初始化後，系 統以20毫秒為一個周期進行數據循環發送直到成功發送為止，前2毫秒發送定 位信息，接下來12毫秒發送患者數據信息和位置信息，最後6毫秒為發送。
如圖13 (a)所示，護士長站工作流程如下軟體運行後，護士長輸入護士 工號和密碼，在核對工號和密碼都正確後，護士長可以進行本帳戶的密碼修改，
16添加和刪除護士用戶，査看患者病例信息及被監護患者的心電、血壓、血氧、 脈率、心率、體溫、位置等實時數據和歷史數據，査看護士的操作記錄。如果 用戶需要退出，則需重新輸入一次工號和密碼，在核對工號和密碼都正確後， 方可退出。
如圖13 (b)所示，住院登記護士站工作流程如下軟體運行後，護士輸入 護士工號和密碼，在核對工號和密碼都正確後，護士可以進行本帳戶的密碼修 改，添加和刪除患者信息，參看患者歷史病歷信息，修改和刪除病人當前病歷 信息，添加新的病歷。如果用戶需要退出，則需重新輸入一次工號和密碼，在 核對工號和密碼都正確後，方可退出。
如圖13 (C)所示，值班護士站工作流程如下軟體運行後，護士輸入護士 工號和密碼，在核對工號和密碼都正確後，上位軟體開始接收網關轉發的信息 並對這些信息進行分類處理。如果接收到，患者緊急報警、電池耗盡報警、以 及患者的生理數據超過設定闊值報警，軟體將彈出相應的報警界面，並在數據 庫的相應位置記錄報警事件。在護士根據病人的病情做出相應的後續處理決定 後，軟體將護士的處理方案寫入資料庫的相應位置。如果是患者的生理數據和 位置信息，則在界面中予以顯示並寫入資料庫的相應位置。如果接收到的是參 考節點的坐標信息，軟體根據該參考節點的地址，在資料庫中進行搜索，如果 在資料庫中存在該地址，則更新其坐標值。如果在資料庫中不存在則資料庫中 添加該地址，並寫入坐標值。在完成一次數據處理後，軟體對護士的操作予以 響應。根據護士的按鍵信息實現通過網關向ZigBee網絡發送控制命令，修改本 用戶密碼，查看歷史監護數據，査看患者病歷，設置患者生理的參數報警閥值。 如果用戶需要退出，則需重新輸入一次工號和密碼，在核對工號和密碼都正確， 資料庫記錄退出信息後，方可退出。
權利要求
1、一種醫院患者戶外無線監護系統，其特徵在於上位機通過乙太網和GPRS網絡與雙模無線傳輸系統相連；雙模無線傳輸系統通過RS232串口與ZigBee無線傳感器網絡相連接；雙模無線傳輸系統的內部連接關係為電源電壓轉換模塊與WLAN模塊和GPRS DTU模塊相連；ZigBee無線傳感器網絡由協調器節點、參考節點、患者定位和生理參數採集節點三部分組成；協調器節點、參考節點、患者定位和生理參數採集節點通過2.4GHz無線網絡相互連接；協調器節點作負責ZigBee無線傳感器網絡的建立以及在ZigBee無線傳感器網絡和雙模無線傳輸系統之間的數據轉發；協調器節點的內部連接關係為CC2430集成晶片分別與串口電平轉換模塊、電源電壓轉換模塊、最小系統外圍電路相連；參考節點的內部連接關係為CC2430集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、鍵盤輸入模塊、電源電壓轉換模塊、OLED顯示模塊相連患者定位和生理參數採集節點的內部連接關係為CC2431集成晶片分別與最小系統外圍電路單元、電源電壓轉換及檢測模塊、OLED顯示模塊、緊急報警按鍵模塊、串口電平轉換模塊相連；患者生理參數採集模塊分別與串口電平轉換模塊、電源電壓轉換及檢測模塊連接；患者定位和生理參數採集節點採用鋰電池和備用紐扣電池供電。
2、 根據權利要求1所述的一種醫院患者戶外無線監護系統，其特徵在於所 述的CC2430集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2430集成晶片的 引腳20、 7、 47、 41相連後與數字電路電源DVDD—3.3V、電容C411、電容C71 的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；弓l腳42與電容C421的一 端相連，電容C421的另一端接地；弓,10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD—3.3V相連；弓l腳23與數字電路電源DVDD—3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地；引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；弓I腳19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電 容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感L1的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感L1的另一端相連，弓I腳32與電感L2及電感L4的另一端相連，電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連; 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容C101、電容C371的一端相連，電容Cll、電容C101、電容C371的另一端接地。
3、 根據權利要求1所述的一種醫院患者戶外無線監護系統，其特徵在於所 述的CC2431集成晶片與最小系統外圍電路單元的電路為CC2430集成晶片的 引腳20、 7、 47、 41相連後與數字電路電源DVDD—3.3V、電容C411、電容C71 的一端相連，電容C411及電容C71的另一端接地；引腳42與電容C421的一 端相連，電容C421的另一端接地；引腳10與電容C678的一端、電阻R406、 按鍵S1的一端相連，電容C678及按鍵S1的另一端接地，電阻R406的另一端 與數字電路電源DVDD一3.3V相連；引腳23與數字電路電源DVDD—3.3V及電 容C231的一端相連，電容C231的另一端接地；引腳24與模擬電路電源VCC1.8 及電容C241的一端相連，電容C241的另一端接地；引腳26與電阻R261的一 端相連，電阻R261的另一端接地；引腳22與電阻R221的一端相連，電阻R221 的另一端接地；弓l腳19與晶振X1及電容C191的一端相連，晶振X1的另一端 與引腳21及電容C121的一端相連，電容C191及電容C121的另一端均接地； 引腳44與晶振X2及電容C441的一端相連，晶振X2的另一端與引腳43及電 容C431的一端相連，電容C441及電容C431的另一端均接地；引腳34與電感 L2及電感L5的一端相連，電感L4及電感Ll的一端和電感L5的另一端相連， 引腳33與電感L1的另一端相連，弓I腳32與電感L2及電感L4的另一端相連， 電感L3的一端與電容C63的一端相連，電容C63的另一端與天線ANT1相連； 引腳25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40與模擬電路電源VCC1.8、 電容Cll、電容CIOI、電容C371的一端相連，電容Cll、電容C101、電容C371 的另一端接地。
4、 根據權利要求1所述的一種醫院患者戶外無線監護系統，其特徵在於所 述的患者定位和生理參數採集節點的電源電壓轉換及檢測模塊的電路為鋰電 池和紐扣電池的負端接地；鋰電池的正極與繼電器的引腳5常開觸點以及引腳 1C0M端相連；紐扣電池的正極與繼電器的引腳4常閉觸點相連；繼電器引腳3、 引腳8接地；繼電器引腳7常閉觸點接VCC;繼電器引腳10COM端接電阻R20 的一端，電阻R20的另一端與電容C16、電容C9、電容C17的一端、引腳3相 連後接地；引腳6常開觸點接患者生理參數採集模塊的引腳4、電源電壓轉換芯 片TPS79533的引腳1、引腳2，電阻R21的一端，電容C16、電容C9的另一端相連；電阻R21的另一端接CC2431的引腳1及電阻R22的一端，電阻R22 的另一端接地；TPS79533的引腳5接電容C17的另一端；TPS79533的引腳4 接VCC以及發光二極體LED1的正極，發光二極體LED1的負極接電阻R19的 一端，電阻R19的另一端接地。
5、 一種醫院患者戶外無線監護系統的患者定位方法，其特徵在於包括如下 步驟1) 患者定位和生理參數採集節點以廣播的形式，向一跳範圍內的ZigBee無線 傳感器網絡參考節點發出定位請求；2) 參考節點在接受到請求後，獲取信號的RSSI值，記為RSSI自dj ，其中i為 患者定位和生理參數採集節點的ZigBee短地址，參考節點更新RSSI庫，RSSI庫中 若不存在RSSI固d—條目，則創建RSSIwind—i條目，建立長度為10-20的隊列，將 RSSIwindj值寫入隊首，將RSSI幽di值作為RSSIb脇i隊列的平均值記為 RSSIblind—aveJ，若RSSIb脇j在隊列的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入 RSSIblind—i值，並求其平均值作為RSSI幽d—ave—i的值，若RSSI,di的個數達到隊列 長度，則剔除隊首RSSI^d一i值，將隊首的後一項作為新的隊首,將最新的RSSIbH《i值寫入隊尾，並求該隊列的平均值作為RSSIbHnd,j的值，完成RSSIwind^j計算後，系統查詢是否啟動定時，若有則重置定期器，重新進行定時，若沒有則啟 動定時器，如果定時則在資料庫中刪除RSSIb^dj條目；3) 根據RSSI庫中的周圍其他節點參考節點的RSSI平均值，記為RSSIref，ej ，其中j為相應的參考節點的ZigBee短地址，根據公式formula see original document page 4計算出Manhattan差異值，其中i為參考節點的 ZigBef短，tf址，如果RSSI庫還不存在RSSI^一avej值則M,-NULL;4) 參考節點以廣播的形式向一跳範圍內的所有節點發送Mi值和坐標值；5) 參考節點將接收到Mi值和坐標值時，獲取信號的RSSI值，記為RSSWj， 其中j為發送M,值和坐標值的參考節點的ZigBee短地址，參考節點更新RSSI庫， 若RSS脾中不存在RSSIrefj條目，則創建RSSWj條目，建立長度為10-20的隊列，將RSSWj值寫入隊首，將RSSW」值作為RSSIrefj隊列的平均值記為RSSI^avej，若RSSWj在隊列中的個數小於隊列長度，則直接在隊尾寫入RSSW」值，並求其平均值作為RSSWjavej的值。若RSSIref」的個數達到隊列長度，則剔除隊首RSSIrefj值，將隊首的後一項作為新的隊首，將最新的RSSLfj值寫入隊尾，並求該隊列的平均值作為RSSIref，ej的值；6)患者定位和生理參數採集節點在接收到Mi值和坐標值後，根據公式formula see original document page 0Manhattan差異的坐標估計值，其中a為權重因子，若M, 的值都不存在，則 (^^。Man,^^。Man) = (16383.75,16383.75)，網絡患者定位和生理參數採集節點對接收 到的信號的RSSI值進行上下限濾波處理後，若RSSI有效值的個數小於3個，貝U。 ，Kw) = (16383.75,16383.75)，若RSSI有效值的個數大於3個，則對這些RSSI 有效值進行排序，選取其中的最小值，將其對應的信息的坐標值X、 Y以及存儲 在系統中的環境因子A、 N這四個參數送入網絡患者定位和生理參數採集節點芯 片CC2431的Location Engine中進行計算，得出當前網絡患者定位和生理參數採 集節點坐標的估計值(義細加 ， r&咖)，在得出(JTM。 totan ， y歸—)及(％一,,。
， L細)後根 下述公式進行數據融合，formula see original document page 0其中"，"都為權重因子，當義^。^或i^。自值無效時採用公式(1)，當％油—或^—值無效時採用公式(2)，當計算Mi時RSSU」值個數未達到隊列長度時或 者A。w或F^自值小於3m時採用公式(3)，當計算Mi時RSSI^」值個數達到隊列 長度時或者^^。^或1W^^大於3m時用公式(4)當義丄o、"^Mw/Krf tan Aoca"o"、n^,tan值無效時採用公式(5)，在完成定位後將定位信息、患者生理參數信息、 報警信息通過原碼補碼校驗的方式發生至協調器節點，並通過雙模無線傳輸系 統傳輸至上位機。
全文摘要
本發明公開了一種醫院患者戶外無線監護系統，系統由ZigBee無線傳感器網絡、雙模無線傳輸系統、上位機三部分組成。ZigBee無線傳感器網絡包括協調器節點、參考節點、患者定位和生理參數採集節點；雙模無線傳輸系統能夠進行乙太網傳輸和GPRS網絡傳輸；上位機軟體分為護士長站、住院登記護士站、值班護士站。系統實時採集患者的心電、血氧、血壓、脈率、體溫等生理參數，以及患者的戶外位置數據，無線傳輸時採用原碼反碼校驗方法；定位時採用了Manhattan差異值定位和Location Engine定位的融合方法；系統具有患者緊急報警、電池欠電報警、生理參數閥值報警等功能，確保戶外活動的患者得到實時有效的監護。
文檔編號H04W84/18GK101674672SQ20091015352
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月30日 優先權日2009年9月30日
發明者仲立芳, 吳明光, 斌 孫, 張建渭, 徐佳東, 徐曉忻, 李化東, 勇 楊 申請人:浙江大學