一种医院患者户外无线监护系统及其患者定位方法

专利名称：一种医院患者户外无线监护系统及其患者定位方法
技术领域：
本发明涉及医疗监护技术领域，尤其涉及一种医院患者户外无线监护系统 及其患者定位方法。
背景技术：
对于危重病人和具有猝发性危险的病人实行个体跟踪护理监测，在国外开 始于三、四十年代。当时完全依赖于护理人员的直接看护，并无任何仪器。五 十年代，由于晶体管的诞生，医疗仪器体积縮小、成本降低，开始出现血压、 呼吸、体温等生命体征参数的现场监测仪器。在这一领域，长期处于技术领先
地位的是德国西门子(SIEMEMS)公司。六十年代，西门子公司率先推出第一代 有线遥控医护监测仪，可监测心电图、血压、呼吸、体温等生理参数，但仪器 的体积较大，且测量精度及可靠性不高。
进入九十年代后，随着超大规模集成电路的广泛使用以及计算机技术、计 算机网络通信技术的发展，使得医疗监护仪的性能上了一个新的台阶，医疗监 护设备不仅从模拟设备变成了数字设备，而且在测量的精确度和准确度上都有 了显著的提高。此外，从各个设备的独立工作变成了各个设备共同组成一套分 布式的系统，医生从办公室的计算机屏幕上即可了解患者相关生理参数。
进入二十一世纪后，随着人们对优质医疗服务需求的日益增长，人们已经 不满足于仅仅局限于室内的有线医疗监护系统。无线通信技术的蓬勃发展，特 别是无线传感器网络技术的发展，为满足人们的这一需求提供了有力的技术支 持。
广大工程技术人员对这一新兴领域进行了很多有益的探索，也产生了很多 科研成果，其中最具代表性的成果如下
1、 发明专利"基于无线传感器网络的医疗监护系统、装置及方法" (CN200410009853.8)提出采用无线传感器网络构成微微网对患者的生理数据
进行传输。
2、 发明专利"一种数字医疗监护系统"(CN200610122088.X)提出将监护 数据通过无线传输，并通过GPS对患者进行定位。
3、 发明专利"基于ZigBee的病房无线监护系"(CN200810199072.8)提出一 种采用ZigBee无线技术的可穿戴的室内监护系统。
上述有益探索的技术路线是正确的，但存在诸多局限，需作进一步的改进。成果1虽然采用了无线传感器网络作为传输手段，但是由于缺乏国际标准的支 持，使得系统缺乏兼容性，同时也在无形中提高了系统的维护成本。其次，在 医院、家庭、社区建立起多个基于无线传感器网络的微微网对患者进行监护， 但缺乏有效地定位机制， 一旦发现患者出现生理异常却无法得知医院外的患者
身居何处，医疗监护也就失去了它的意义。成果2虽采用GPS定位，但相对医疗 监护设备有限的供电能力来说GPS芯片的功耗过大，而且GPS费用亦较高。成果 3基于ZigBee技术的可穿戴监护系统虽然极大地提高了对患者的医疗服务质量， 但是其监护范围过小仅仅局限于室内，这极大的限制了患者的活动范围，降低 了患者的医疗体验。
综观现有患者户外无线监护系统，在无线传输和仪表供电方面的高可靠性 和高可用性方面均存在缺陷，缺乏有效的解决方案。由此可见， 一种更合理的 患者监护方案需具备如下特点1、无线通信采用国际标准，同时考虑到中国国 情应采用2.4GHz频段为宜。2、户外患者的监护设备的功耗较小。3、对户外活 动患者的监护应具备定位功能。4、设备在无线传输和仪表供电方面应具备高可 靠性和高可用性。

发明内容
本发明的目的是针对现有医院患者户外监护系统的不足，提供一种医院患 者户外无线监护系统及其患者定位方法。
医院患者户外无线监护系统是上位机通过以太网和GPRS网络与双模无线 传输系统相连；双模无线传输系统通过RS232串口与ZigBee无线传感器网络相连 接。双模无线传输系统的内部连接关系为电源电压转换模块与WLAN模块和 GPRSDTU模块相连。ZigBee无线传感器网络由协调器节点、参考节点、患者定 位和生理参数采集节点三部分组成；协调器节点、参考节点、患者定位和生理 参数采集节点通过2.4GHz无线网络相互连接；协调器节点作负责ZigBee无线传 感器网络的建立以及在ZigBee无线传感器网络和双模无线传输系统之间的数据 转发。协调器节点的内部连接关系为CC2430集成芯片分别与串口电平转换模 块、电源电压转换模块、最小系统外围电路相连。参考节点的内部连接关系为 CC2430集成芯片分别与最小系统外围电路单元、键盘输入模块、电源电压转换 模块、OLED显示模块相连患者定位和生理参数采集节点的内部连接关系为 CC2431集成芯片分别与最小系统外围电路单元、电源电压转换及检测模块、 OLED显示模块、紧急报警按键模块、串口电平转换模块相连；患者生理参数采 集模块分别与串口电平转换模块、电源电压转换及检测模块连接；患者定位和生理参数采集节点采用锂电池和备用纽扣电池供电。
所述的CC2430集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2430集成 芯片的引脚20、 7、 47、 41相连后与数字电路电源DVDD—3.3V、电容C411、 电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421 的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD_3.3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD—3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；弓,19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电 容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感Ll的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感Ll的另一端相连，弓,32与电感L2及电感L4的另一端相连， 电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连; 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容CIOI、电容C371的一端相连，电容Cll、电容CIOI、电容C371 的另一端接地。
所述的CC2431集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2431集成 芯片的引脚20、 7、 47、 41相连后与数字电路电源DVDD一3.3V、电容C411、 电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421 的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD一3.3V相连；弓|脚23与数字电路电源DVDD—3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地;引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；弓I脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感Ll的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感Ll的另一端相连，弓l脚32与电感L2及电感L4的另一端相连， 电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连； 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容C101、电容C371的一端相连，电容Cll、电容C101、电容C371 的另一端接地。
所述的电源电压转换及检测模块的电路为锂电池和纽扣电池的负端接地; 锂电池的正极与继电器的引脚5常开触点以及引脚1COM端相连；纽扣电池的 正极与继电器的引脚4常闭触点相连；继电器引脚3、弓l脚8接地；继电器引脚
7常闭触点接VCC;继电器引脚10COM端接电阻R20的一端，电阻R20的另 一端与电容C16、电容C9、电容C17的一端、引脚3相连后接地；引脚6常开 触点接患者生理参数采集模块的引脚4、电源电压转换芯片TPS79533的引脚1、 引脚2，电阻R21的一端，电容C16、电容C9的另一端相连；电阻R21的另一 端接CC2431的引脚1及电阻R22的一端，电阻R22的另一端接地；TPS79533 的引脚5接电容C17的另一端;TPS79533的引脚4接VCC以及发光二极管LED1 的正极，发光二极管LED1的负极接电阻R19的一端，电阻R19的另一端接地。 医院患者户外无线监护系统的患者定位方法是-
1) 患者定位和生理参数采集节点以广播的形式，向一跳范围内的ZigBee无 线传感器网络参考节点发出定位请求；
2) 参考节点在接受到请求后，获取信号的RSSI值，记为RSSIbund—i ，其中i 为患者定位和生理参数采集节点的ZigBee短地址，参考节点更新RSSI库，RSSI库 中若不存在RSSIb化di条目，则创建RSSIwind」条目，建立长度为10-20的队列，将 RSSIwMi值写入队首，将RSSIb^d—i值作为RSSI,(,列的平均值记为 RSSIblindave—i，若RSSIb^j在队列的个数小于队列长度，则直接在队尾写入
RSSIbtodj值，并求其平均值作为RSSIbUnd,j的值，若RSSIb^di的个数达到队列
长度，则剔除队首RSSIwi《i值，将队首的后一项作为新的队首，将最新的RSSIbu《i
值写入队尾，并求该队列的平均值作为RSSI^d一avei的值，完成RSSIwinf—i计算
后，系统査询是否启动定时，若有则重置定期器，重新进行定时，若没有则启
动定时器，如果定时则在数据库中删除RSSIbHnd—i条目；
3) 根据RSSI库中的周围其他节点参考节点的RSSI平均值，记为RSSIref一avej ，
其中j为相应的参考节点的ZigBee短地址，根据公式M, = SI RSSIblindave_i -RSSIref—aveJ l计算出Manhattan差异值，其中i为参考节点的
ZigBee短地址，如果RSSI库还不存在RSSI《ave」值则M,-NULL;
4) 参考节点以广播的形式向一跳范围内的所有节点发送M,值和坐标值；
5) 参考节点将接收到M,值和坐标值时，获取信号的RSSI值，记为RSSW」， 其中j为发送Mj值和坐标值的参考节点的ZigBee短地址，参考节点更新RSSI库，
若RSS脾中不存在RSSIrefj条目，则创建RSSIref」条目，建立长度为10-20的队列，
将RSSW」值写入队首，将RSSW」值作为RSSW」队列的平均值记为RSSW^j， 若RSSI^」在队列中的个数小于队列长度，则直接在队尾写入RSSI^」值，并求其
平均值作为RSSW,e」的值。若RSSIrefj的个数达到队列长度，则剔除队首RSSW」
值，将队首的后一项作为新的队首，将最新的RSSWj值写入队尾，并求该队列
的平均值作为RSSW^j的值；
6)患者定位和生理参数采集节点在接收到M,值和坐标值后，根据公式
(Za^w/w/ tan ， ^A^ot/kW tan )—
^-"x, +《义2 +.......m; m「";k, +《72 +.......m; 、
得出
《+ m2_a +......m;" m,-。 + m2—a +……m;a
Manhattan差异的坐标估计值，其中cx为权重因子，若i^的值都不存在，则 (;—皿,L,J"16383.75，16383.75)，网络患者定位和生理参数采集节点对接收 到的信号的RSSI值进行上下限滤波处理后，若RSSI有效值的个数小于3个，贝U (i—,。 ，^。 。 ) = (16383.75，16383.75)，若RSSI有效值的个数大于3个，则对这些RSSI 有效值进行排序，选取其中的最小值，将其对应的信息的坐标值X、 Y以及存储 在系统中的环境因子A、 N这四个参数送入网络患者定位和生理参数采集节点芯 片CC2431的LocationEngine中进行计算，得出当前网络患者定位和生理参数采 集节点坐标的估计值(^^,。 ，4^,。 )，在得出(^^。(13 ,]^ (1。^)及(;^0￡。,,0 ,}^。,,。 )后根 下述公式进行数据融合，
义MmA"' tan ① 义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^，"都为权重因子，当X一,。n或y一,。"值无效时采用公式(1)，当^^。'tan 或y,。'tan值无效时采用公式(2)，当计算Mi时RSSI^值个数未达到队列长度时或
者A。一或L。自值小于3m时采用公式(3)，当计算Mi时RSSI^值个数达到队列 长度时或者X她由^或]^w大于3m时用公式(4)当J^c。咖、J^油^或4^。"、
y^。,tan值无效时采用公式(5)，在完成定位后将定位信息、患者生理参数信息、
10报警信息通过原码补码校验的方式发生至协调器节点，并通过双模无线传输系 统传输至上位机。
本发明在无线传输和设备供电方面具备高可靠性和高可用性。定位采用
Manhattan差异值定位和Location Engine定位的融合方法，通过平均值滤波提高了 Manhattan差异值定位的可靠性，通过限幅滤波提高了Location Engine定位的准确 度。此外，通过数据融合能够有效地减少无效数据，融合采用加权算法，提高 了定位的精度和准确性。双模无线传输系统，能够大大提高传输的安全性，降 低系统运行的费用。在正常情况下采用WLAN模块进行传输，当WLAN模块出 现故障时则采用GPRS模块传输，在解除WLAN故障之后，则重新使用WLAN模 块进行传输。


图1是一种医院患者户外监护系统结构框图2是双模无线传输系统结构框图3是无线传感器网络结构框图4是协调器节点结构框图5是参考节点结构框图6是患者定位和生理参数采集节点结构框图7是CC2430集成芯片与最小系统外围电路单元的电路图8是CC2431集成芯片与最小系统外围电路单元的电路图9是电源电压转换及检测模块的电路图10是协调器节点的流程图ll是参考节点的流程图12是患者定位和生理参数采集节点的流程图13(a)是上位机护士长站软件流程图13(b)是上位机住院登记护士站软件流程图13(c)是上位机值班护士站软件流程图。
具体实施例方式
如图1 6所示，医院患者户外无线监护系统是上位机通过以太网和GPRS 网络与双模无线传输系统相连；双模无线传输系统通过RS232串口与ZigBee无 线传感器网络相连接。双模无线传输系统的内部连接关系为电源电压转换模 块与WLAN模块和GPRS DTU模块相连。ZigBee无线传感器网络由协调器节 点、参考节点、患者定位和生理参数采集节点三部分组成；协调器节点、参考节点、患者定位和生理参数采集节点通过2.4GHz无线网络相互连接；协调器节 点作负责ZigBee无线传感器网络的建立以及在ZigBee无线传感器网络和双模无 线传输系统之间的数据转发。协调器节点的内部连接关系为CC2430集成芯片 分别与串口电平转换模块、电源电压转换模块、最小系统外围电路相连。参考 节点的内部连接关系为CC2430集成芯片分别与最小系统外围电路单元、键盘 输入模块、电源电压转换模块、OLED显示模块相连患者定位和生理参数采集节 点的内部连接关系为CC2431集成芯片分别与最小系统外围电路单元、电源电 压转换及检测模块、OLED显示模块、紧急报警按键模块、串口电平转换模块相 连；患者生理参数采集模块分别与串口电平转换模块、电源电压转换及检测模 块连接；患者定位和生理参数采集节点采用锂电池和备用纽扣电池供电。
如图7所示CC2430集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2430 集成芯片的引脚20、 7、47、41相连后与数字电路电源0￥00_3.3￥、电容0411、 电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421 的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD—3.3V相连；弓,23与数字电路电源DVDD_3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；引脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电 容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感Ll的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感Ll的另一端相连，弓l脚32与电感L2及电感L4的另一端相连， 电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连； 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容C101、电容C371的一端相连，电容Cll、电容C101、电容C371 的另一端接地。
如图8所示CC2431集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2431 集成芯片的引脚20、 7、47、41相连后与数字电路电源DVDD一3.3V、电容C411、 电容C71的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD_3.3V相连；弓,23与数字电路电源DVDD_3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；弓I脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电 容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感L1的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感Ll的另一端相连，弓l脚32与电感L2及电感L4的另一端相连， 电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连; 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容CIOI、电容C371的一端相连，电容Cll、电容CIOI、电容C371 的另一端接地。
如图9所示电源电压转换及检测模块的电路为锂电池和纽扣电池的负端 接地；锂电池的正极与继电器的引脚5常开触点以及引脚1C0M端相连；纽扣 电池的正极与继电器的引脚4常闭触点相连；继电器引脚3、弓l脚8接地；继电 器引脚7常闭触点接VCC;继电器引脚10COM端接电阻R20的一端，电阻R20 的另一端与电容C16、电容C9、电容C17的一端、引脚3相连后接地；弓l脚6 常开触点接患者生理参数采集模块的引脚4、电源电压转换芯片TPS79533的引 脚l、引脚2，电阻R21的一端，电容C16、电容C9的另一端相连；电阻R21 的另一端接CC2431的引脚1及电阻R22的一端，电阻R22的另一端接地； TPS79533的引脚5接电容C17的另一端；TPS79533的引脚4接VCC以及发光 二极管LED1的正极，发光二极管LED1的负极接电阻R19的一端，电阻R19 的另一端接地。其工作原理是当锂电池电力充足时，继电器得电，常闭端吸 合，锂电池直接向患者生理参数采集模块及ZigBee患者定位和生理参数采集节 点模块供电。当锂电池电力不足时，继电器由于电流及电压不足而失电，继电 器常开端吸合。锂电池停止供电，转由备用纽扣电池直接向ZigBee患者定位和 生理参数采集节点的CC2431集成芯片和最小系统外围电路单元供电。在电源转 换过程中，ZigBee患者定位和生理参数采集节点模块芯片CC2431的引脚1上的电平在由3.3V变为0V的过程中产生一个下降沿引起CC2431芯片内部中断， 中断产生后将触发报警事件。
如图10所示，协调器节点工作流程为在系统完成初始化后，协调器节点 作为协调器开始创建ZigBee网络。完成创建ZigBee网络后系统OS对各个线程 进行循环扫描。在协调器节点线程中，如果串口有数据输入，则读取数据内容 并对其进行校验，如果通过校验则在ZigBee网络中发送该命令，如果没有通过 校验则系统向上位机发出重新发送请求。在协调器节点线程中，如果接收到 ZigBee网络信息，对接收到的信息进行原码反码校验，其原理是将发送的数据 长度扩大一倍，前半部分为原码，后半部分为反码，校验时将原码和反码进行 异或，如果结果为0，则说明数据发送正确，如果不为O,则说明数据发送时出 错。在进行原码反码校验后，如果校验结果不为0，则向上一跳发出重发请求。 如果校验结果为0，则系统根据簇标示符对信息进行分类处理。在完成这些处理 后把这些数据进行打包。如果WLAN模块可以运行，则通过太网将数据传至上 位机，如果WLAN模块不可以运行，则利用GPRS DTU模块通过GPRS网络将 数据传输至上位机。
如图11所示，参考节点工作流程如为在系统完成初始化后，系统开始查
找ZigBee协调器，如果没有找到延时5秒后继续査找，直到找到ZigBee协调器 为止。査找到ZigBee协调器后，系统OS对各个线程进行循环扫描，如果在参 考节点线程中发现有键盘按下在OLED中显示按键内容，如果按下确定键后， 系统会对按键内容的正确性进行判断，如果不符合要求系统提示按键错误并要 求重新输入，如果输入内容正确系统将读取按键的坐标值并存入flash中。如果 在参考节点线程接收到ZigBee网络信息，则根据簇标识符进行分类处理。如果 是坐标査询信息，则系统向请求节点返回存在flash中的坐标值，如果坐标值不 存在则返回默认值(^ = (16383.75,16383.75)。如果是坐标配置信息则将新的坐标 值写入flash。如果是定位信息，参考节点获取信号的RSSI值(记为RSSIb^dj ， 其中i为患者定位和生理参数采集节点的ZigBee短地址)，参考节点更新RSSI 库,RSSI库中若不存在RSSIb^i条目，则创建RSSI函di条目，建立长度10-20 的队列，将RSSI,d—i值写入队首，将RSSI她d—i值作为RSSIblind—j队列的平均值 记为RSSIblindaveJ，若RSSIwind一i在队列的个数小于队列长度，则直接在队尾写入 RSSI咖dj值，并求其平均值作为RSSIblindave—i的值。若RSSIblind」的个数达到队 列长度，则剔除队首RSSIbHndj值，将队首的后一项作为新的队首，将最新的 RSSIbtodi值写入队尾，并求该队列的平均值作为RSSIwM^i的值，完成RSSIblind—avej计算后，系统査询是否启动IOS定时，若有则重置定期器，重新进 行10S定时，若没有则启动定时器。如果定时则在数据库中删除RSSIbH(i条目；
参考节点根据RSSI库中的周围其他节点参考节点的RSSI平均值，记为
RSSIref ave」，其中j为相应的参考节点的ZigBee短地址，根据公式
M = &RSSIblind—ave—; -RSSIref—ave」|计算出Manhattan差异值，其中i为参考节点
的ZigBee短地址，如果RSSI库还不存在RSSIrefave」值则Mi-NULL;在计算出 M,后参考节点以广播的形式向一跳范围内的所有节点发送Mj值和坐标值。如果 参考节点接收到Mi值和坐标值，获取信号的RSSI值(记为RSSIref」，其中j为 发送Mi值和坐标值的参考节点的ZigBee短地址)参考节点更新RSSI库，若RSSI 库中不存在RSSWj条目，则创建RSSIref」条目，建立长度10-20的队列，将 RSSIref」值写入队首，将RSSIrefj值作为RSSIrefj队列的平均值记为RSSIref—ave」， 若RSSWj在队列中的个数小于队列长度，则直接在队尾写入RSSVj值，并求 其平均值作为RSSIrefJave」的值。若RSSIrefJ的个数达到队列长度，则剔除队首 RSSIrefj值，将队首的后一项作为新的队首，将最新的RSSW」值写入队尾，并 求该队列的平均值作为RSSIref—aveJ的值；如果是路由信息，则对接收到的数据 进行原码反码校验，如果校验结果不为O，则向上一跳发出重发请求。如果校验 结果为0，则根据路由链表向下一跳发送数据直到成功发送数据位置。
如图12所示，患者定位和生理参数采集节点系统工作流程如下在系统完成 初始化后，系统开始查找ZigBee协调器，如果没有找到延时5秒后继续查找，直 到找到ZigBee协调器为止。査找至!lZigBee协调器后，系统OS对各个线程进行循 环扫描。如果生理参数采集和定位线程中，串口有数据输入，则系统通过DMA 将串口数据读入缓存，并对缓存内的数据进行处理，如果完成一帧数据的，则 根据协议规则对读取的数据进行校验。如果生理参数采集和定位线程中，患者 紧急报警按键被按下，则系统产生报警事件，并启动一个10秒钟的报警定时。 系统根据时隙机制，在报警时隙内向ZigBee网络向协调器节点发送患者紧急报 警信息，协调器节点将接受到的信息转发至上位机。上位机在接收到报警信息 后，向ZigBee患者定位和生理参数采集节点发出确认信息。在接收到上位机确 认信息后系统停止发送报警信息并取消报警定时，如果系统在10秒钟内没有接 受到来自上位机的确认信息，则系统重新进行报警。如果生理参数采集和定位 线程中，CC2431芯片管脚1有中断信号，OLED显示电池即将耗尽信息。同时系 统产生报警事件，并启动一个10秒钟的报警定时。系统根据时隙机制，在报警 时隙内向系统向上位机发出电池即将耗尽的报警信息，在接收到上位机确认信息后系统停止发送报警信息并取消报警定时，如果系统在10秒钟内没有接受到
来自上位机的确认信息，则系统重新进行报警。如果生理参数采集和定位线程
接收到ZigBee网络信息，系统根据簇标示符对信息进行分类处理。如果是定位 信息，根据公式
:「M「"J^ + M2-"Z2 +.......AZ/Zw A/rK + A/2—"y2 +…….il^Tw )符屮
Manhattan差异的坐标估计值，其中a为权重因子，若iV^的值都不存在，则 (^。自an,;w) = (16383.75,16383.75)，网络患者定位和生理参数采集节点对接收 到的信号的RSSI值进行上下限滤波处理后，若RSSI有效值的个数小于3个，则 (^。加,。 ，4^。 ) = (16383.75，16383.75)，若RSSI有效值的个数大于3个，则对这些RSSI 有效值进行排序，选取其中的最小值，将其对应的信息的坐标值X、 Y以及存储 在系统中的环境因子A、 N这四个参数送入网络患者定位和生理参数采集节点芯 片CC2431的LocationEngine中进行计算，得出当前网络患者定位和生理参数采 集节点坐标的估计值(^。咖。 ,&。加,。 )。在得出(义她w，J^A—)及(^^细，Kw)后根 下述公式进行数据融合，
^^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 一尸)^ioc如on (斗)
16383.75 (5)
其中"，7都为权重因子。当J4^自或1^自值无效时采用公式(1)，当Zwtan 或&自^值无效时采用公式(2),当计算Mi时RSSIf。f」值个数未达到队列长度时或
者1^,。"或1。《。 值不在Manhattan差异值定位的最佳采用坐标区域时采用公式 (3)，当计算Mj时RSSIref」值个数达到队列长度时或者ZM。 A。<tan或yMatetan在 Manhattan差异值定位的最佳采用坐标区域内时采用公式(4)当J^自。"、J^一,皿或 1^。h。^值无效时采用公式(5)。如果是定位参数配置信息则将新的参数 写入flash中。如果是患者生理参数采集模块的配置信息在通过校验后通过串口 向患者生理参数采集模块传输，若没有通过校验则发送重传请求。在生理参数 采集和定位线程中数据的采用和发送采用时隙机制。在系统完成初始化后，系 统以20毫秒为一个周期进行数据循环发送直到成功发送为止，前2毫秒发送定 位信息，接下来12毫秒发送患者数据信息和位置信息，最后6毫秒为发送。
如图13 (a)所示，护士长站工作流程如下软件运行后，护士长输入护士 工号和密码，在核对工号和密码都正确后，护士长可以进行本账户的密码修改，
16添加和删除护士用户，査看患者病例信息及被监护患者的心电、血压、血氧、 脉率、心率、体温、位置等实时数据和历史数据，査看护士的操作记录。如果 用户需要退出，则需重新输入一次工号和密码，在核对工号和密码都正确后， 方可退出。
如图13 (b)所示，住院登记护士站工作流程如下软件运行后，护士输入 护士工号和密码，在核对工号和密码都正确后，护士可以进行本账户的密码修 改，添加和删除患者信息，参看患者历史病历信息，修改和删除病人当前病历 信息，添加新的病历。如果用户需要退出，则需重新输入一次工号和密码，在 核对工号和密码都正确后，方可退出。
如图13 (C)所示，值班护士站工作流程如下软件运行后，护士输入护士 工号和密码，在核对工号和密码都正确后，上位软件开始接收网关转发的信息 并对这些信息进行分类处理。如果接收到，患者紧急报警、电池耗尽报警、以 及患者的生理数据超过设定阔值报警，软件将弹出相应的报警界面，并在数据 库的相应位置记录报警事件。在护士根据病人的病情做出相应的后续处理决定 后，软件将护士的处理方案写入数据库的相应位置。如果是患者的生理数据和 位置信息，则在界面中予以显示并写入数据库的相应位置。如果接收到的是参 考节点的坐标信息，软件根据该参考节点的地址，在数据库中进行搜索，如果 在数据库中存在该地址，则更新其坐标值。如果在数据库中不存在则数据库中 添加该地址，并写入坐标值。在完成一次数据处理后，软件对护士的操作予以 响应。根据护士的按键信息实现通过网关向ZigBee网络发送控制命令，修改本 用户密码，查看历史监护数据，査看患者病历，设置患者生理的参数报警阀值。 如果用户需要退出，则需重新输入一次工号和密码，在核对工号和密码都正确， 数据库记录退出信息后，方可退出。
权利要求
1、一种医院患者户外无线监护系统，其特征在于上位机通过以太网和GPRS网络与双模无线传输系统相连；双模无线传输系统通过RS232串口与ZigBee无线传感器网络相连接；双模无线传输系统的内部连接关系为电源电压转换模块与WLAN模块和GPRS DTU模块相连；ZigBee无线传感器网络由协调器节点、参考节点、患者定位和生理参数采集节点三部分组成；协调器节点、参考节点、患者定位和生理参数采集节点通过2.4GHz无线网络相互连接；协调器节点作负责ZigBee无线传感器网络的建立以及在ZigBee无线传感器网络和双模无线传输系统之间的数据转发；协调器节点的内部连接关系为CC2430集成芯片分别与串口电平转换模块、电源电压转换模块、最小系统外围电路相连；参考节点的内部连接关系为CC2430集成芯片分别与最小系统外围电路单元、键盘输入模块、电源电压转换模块、OLED显示模块相连患者定位和生理参数采集节点的内部连接关系为CC2431集成芯片分别与最小系统外围电路单元、电源电压转换及检测模块、OLED显示模块、紧急报警按键模块、串口电平转换模块相连；患者生理参数采集模块分别与串口电平转换模块、电源电压转换及检测模块连接；患者定位和生理参数采集节点采用锂电池和备用纽扣电池供电。
2、 根据权利要求1所述的一种医院患者户外无线监护系统，其特征在于所 述的CC2430集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2430集成芯片的 引脚20、 7、 47、 41相连后与数字电路电源DVDD—3.3V、电容C411、电容C71 的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；弓l脚42与电容C421的一 端相连，电容C421的另一端接地；弓,10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD—3.3V相连；弓l脚23与数字电路电源DVDD—3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；弓I脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电 容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感L1的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感L1的另一端相连，弓I脚32与电感L2及电感L4的另一端相连，电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连; 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容C101、电容C371的一端相连，电容Cll、电容C101、电容C371的另一端接地。
3、 根据权利要求1所述的一种医院患者户外无线监护系统，其特征在于所 述的CC2431集成芯片与最小系统外围电路单元的电路为CC2430集成芯片的 引脚20、 7、 47、 41相连后与数字电路电源DVDD—3.3V、电容C411、电容C71 的一端相连，电容C411及电容C71的另一端接地；引脚42与电容C421的一 端相连，电容C421的另一端接地；引脚10与电容C678的一端、电阻R406、 按键S1的一端相连，电容C678及按键S1的另一端接地，电阻R406的另一端 与数字电路电源DVDD一3.3V相连；引脚23与数字电路电源DVDD—3.3V及电 容C231的一端相连，电容C231的另一端接地；引脚24与模拟电路电源VCC1.8 及电容C241的一端相连，电容C241的另一端接地；引脚26与电阻R261的一 端相连，电阻R261的另一端接地；引脚22与电阻R221的一端相连，电阻R221 的另一端接地；弓l脚19与晶振X1及电容C191的一端相连，晶振X1的另一端 与引脚21及电容C121的一端相连，电容C191及电容C121的另一端均接地； 引脚44与晶振X2及电容C441的一端相连，晶振X2的另一端与引脚43及电 容C431的一端相连，电容C441及电容C431的另一端均接地；引脚34与电感 L2及电感L5的一端相连，电感L4及电感Ll的一端和电感L5的另一端相连， 引脚33与电感L1的另一端相连，弓I脚32与电感L2及电感L4的另一端相连， 电感L3的一端与电容C63的一端相连，电容C63的另一端与天线ANT1相连； 引脚25、 27、 28、 29、 30、 31、 35、 36、 37、 38、 39、 40与模拟电路电源VCC1.8、 电容Cll、电容CIOI、电容C371的一端相连，电容Cll、电容C101、电容C371 的另一端接地。
4、 根据权利要求1所述的一种医院患者户外无线监护系统，其特征在于所 述的患者定位和生理参数采集节点的电源电压转换及检测模块的电路为锂电 池和纽扣电池的负端接地；锂电池的正极与继电器的引脚5常开触点以及引脚 1C0M端相连；纽扣电池的正极与继电器的引脚4常闭触点相连；继电器引脚3、 引脚8接地；继电器引脚7常闭触点接VCC;继电器引脚10COM端接电阻R20 的一端，电阻R20的另一端与电容C16、电容C9、电容C17的一端、引脚3相 连后接地；引脚6常开触点接患者生理参数采集模块的引脚4、电源电压转换芯 片TPS79533的引脚1、引脚2，电阻R21的一端，电容C16、电容C9的另一端相连；电阻R21的另一端接CC2431的引脚1及电阻R22的一端，电阻R22 的另一端接地；TPS79533的引脚5接电容C17的另一端；TPS79533的引脚4 接VCC以及发光二极管LED1的正极，发光二极管LED1的负极接电阻R19的 一端，电阻R19的另一端接地。
5、 一种医院患者户外无线监护系统的患者定位方法，其特征在于包括如下 步骤1) 患者定位和生理参数采集节点以广播的形式，向一跳范围内的ZigBee无线 传感器网络参考节点发出定位请求；2) 参考节点在接受到请求后，获取信号的RSSI值，记为RSSI自dj ，其中i为 患者定位和生理参数采集节点的ZigBee短地址，参考节点更新RSSI库，RSSI库中 若不存在RSSI固d—条目，则创建RSSIwind—i条目，建立长度为10-20的队列，将 RSSIwindj值写入队首，将RSSI幽di值作为RSSIb脇i队列的平均值记为 RSSIblind—aveJ，若RSSIb脇j在队列的个数小于队列长度，则直接在队尾写入 RSSIblind—i值，并求其平均值作为RSSI幽d—ave—i的值，若RSSI,di的个数达到队列 长度，则剔除队首RSSI^d一i值，将队首的后一项作为新的队首,将最新的RSSIbH《i值写入队尾，并求该队列的平均值作为RSSIbHnd,j的值，完成RSSIwind^j计算后，系统查询是否启动定时，若有则重置定期器，重新进行定时，若没有则启 动定时器，如果定时则在数据库中删除RSSIb^dj条目；3) 根据RSSI库中的周围其他节点参考节点的RSSI平均值，记为RSSIref，ej ，其中j为相应的参考节点的ZigBee短地址，根据公式<formula>formula see original document page 4</formula>计算出Manhattan差异值，其中i为参考节点的 ZigBef短，tf址，如果RSSI库还不存在RSSI^一avej值则M,-NULL;4) 参考节点以广播的形式向一跳范围内的所有节点发送Mi值和坐标值；5) 参考节点将接收到Mi值和坐标值时，获取信号的RSSI值，记为RSSWj， 其中j为发送M,值和坐标值的参考节点的ZigBee短地址，参考节点更新RSSI库， 若RSS脾中不存在RSSIrefj条目，则创建RSSWj条目，建立长度为10-20的队列，将RSSWj值写入队首，将RSSW」值作为RSSIrefj队列的平均值记为RSSI^avej，若RSSWj在队列中的个数小于队列长度，则直接在队尾写入RSSW」值，并求其平均值作为RSSWjavej的值。若RSSIref」的个数达到队列长度，则剔除队首RSSIrefj值，将队首的后一项作为新的队首，将最新的RSSLfj值写入队尾，并求该队列的平均值作为RSSIref，ej的值；6)患者定位和生理参数采集节点在接收到Mi值和坐标值后，根据公式<formula>formula see original document page 0</formula>Manhattan差异的坐标估计值，其中a为权重因子，若M, 的值都不存在，则 (^^。Man,^^。Man) = (16383.75,16383.75)，网络患者定位和生理参数采集节点对接收 到的信号的RSSI值进行上下限滤波处理后，若RSSI有效值的个数小于3个，贝U。 ，Kw) = (16383.75,16383.75)，若RSSI有效值的个数大于3个，则对这些RSSI 有效值进行排序，选取其中的最小值，将其对应的信息的坐标值X、 Y以及存储 在系统中的环境因子A、 N这四个参数送入网络患者定位和生理参数采集节点芯 片CC2431的Location Engine中进行计算，得出当前网络患者定位和生理参数采 集节点坐标的估计值(义细加 ， r&咖)，在得出(JTM。 totan ， y歸—)及(％一,,。
， L细)后根 下述公式进行数据融合，<formula>formula see original document page 0</formula>其中"，"都为权重因子，当义^。^或i^。自值无效时采用公式(1)，当％油—或^—值无效时采用公式(2)，当计算Mi时RSSU」值个数未达到队列长度时或 者A。w或F^自值小于3m时采用公式(3)，当计算Mi时RSSI^」值个数达到队列 长度时或者^^。^或1W^^大于3m时用公式(4)当义丄o、"^Mw/Krf tan Aoca"o"、n^,tan值无效时采用公式(5)，在完成定位后将定位信息、患者生理参数信息、 报警信息通过原码补码校验的方式发生至协调器节点，并通过双模无线传输系 统传输至上位机。
全文摘要
本发明公开了一种医院患者户外无线监护系统，系统由ZigBee无线传感器网络、双模无线传输系统、上位机三部分组成。ZigBee无线传感器网络包括协调器节点、参考节点、患者定位和生理参数采集节点；双模无线传输系统能够进行以太网传输和GPRS网络传输；上位机软件分为护士长站、住院登记护士站、值班护士站。系统实时采集患者的心电、血氧、血压、脉率、体温等生理参数，以及患者的户外位置数据，无线传输时采用原码反码校验方法；定位时采用了Manhattan差异值定位和Location Engine定位的融合方法；系统具有患者紧急报警、电池欠电报警、生理参数阀值报警等功能，确保户外活动的患者得到实时有效的监护。
文档编号H04W84/18GK101674672SQ20091015352
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者仲立芳, 吴明光, 斌 孙, 张建渭, 徐佳东, 徐晓忻, 李化东, 勇 杨 申请人:浙江大学