医院紧急报警系统及无线定位方案
一、前言
近期，医闹事件频发。为了维护诊疗秩序，2013年12月20日，国家卫生计生委、中央综治办、公安部、司法部等国家11部委联合印发了《关于维护医疗秩序打击涉医违法犯罪专项行动方案》，严厉打击医闹行为。
为维护医疗秩序，建立和谐医患关系，切实保障广大人民群众的利益，确保医务人员、就诊患者的安全，构建安全稳定的医疗环境，全面推进平安医院创建工作，决定自2013年12月起，在全国范围内开展为期1年的维护医疗秩序打击涉医违法犯罪专项行动，依法严惩侵害医患人身安全、扰乱正常医疗秩序违法犯罪活动，强化医疗机构安全防范系统建设，确保重点区域、重点部门视频监控覆盖率达到100%。具备条件的二级以上医院安全监控中心应当建设应急报警装置并与当地公安机关联网。
加强内部巡查守护，对重点区域、要害部位、夜间值班科室等关键部门要安排专人值守，及时发现可疑情况，先期处置。要加强医疗机构安全防范动态管理，组织保卫人员、保安员定时和随时巡查。发生案事件后，要立即报警，保卫人员和保安员要第一时间赶赴现场，制止违法犯罪行为，依法控制违法犯罪人员，做好现场保护措施，配合公安机关开展相关工作。
建立医患突发事件应急处置预案，健全警医联动、联防联控机制，提高应急突发事件的现场处置能力。
为响应国家11部委联合印发的《关于维护医疗秩序打击涉医违法犯罪专项行动方案》精神，做好治安案（事）件、特别是重大刑事案件的预防工作，严防医院公共场合暴力袭击事件的发生，维护医疗机构正常诊疗秩序，保障人民群众健康权益，确保医务人员人身安全，社会稳定，我公司组织科技人员针对上述要求研制开发出符合突发事件的紧急报警（含无线定位功能）系统。
二、系统结构示意图
产品特点
1、医院紧急报警及无线定位系统，采用Zigbee无线物联网技术，克服了传统无线报警器接收距离非常有限的缺点，通过无线网络覆盖大大延长数据传输的距离，真正做到报警距离不受限制，解决了医院报警系统要求远距离传输的、大范围覆盖的技术难题。
2、本系统采用微型无线局域网的双向通信功能,报警终端发出的信号得到主机确认无误后，才能启动报警终端的声光信号，解决了误报问题。报警终端没有收到主机确认信号，将继续不断重发报警信号，解决了漏报问题。主机不断检测报警终端，一旦发现报警终端回应信号有误码时进行及时纠正，解决了干扰问题。如果报警终端没有回应就发出提示或报警，解决了报警终端遭破坏或被偷盗的问题。
3、充分利用Zigbee网的无线定位引擎技术，解决了医护人员离开固定工作场所遇袭时的报警定位问题，使受害者在最短时间内等到救助。
4、系统软件结合医院安全防范的现状与需求，功能强大，使用方便。
三、医院无线紧急报系统组成
医院紧急报警及无线定位系统由无线网络服务器、处警分站、无线中继路由器、固定式紧急报警终端、移动式紧急报警按钮、无线点阵式显示屏组成。无线网络服务器协调整个无线报警网络的数据传输；处警分站用于多点执勤点的接警显示；无线中继路由器用无线数据收发中转，加大无线收发距离；固定式紧急报警终端安装在医护人员工作的固定场所；移动式紧急报警按钮为医护人员随身携带；无线点阵式显示屏用于需要醒目显示的地方。
医院紧急报警及无线定位系统是针对目前医院重新布线存在困难的现状开发的一代产品,克服了传统无线呼叫器收发距离短、功能单
一、不适合医院大范围远距离使用的缺陷，可以与计算机联网、与医院广播系统对接、与110指挥中心联动，组成多方位、多功能的医院紧急报警平台，功能更强大，技术更先进，是平安医院安全工程建设的理想设备。
1、无线网络服务器
◆ 协调整个无线报警网络的建立撤消、报警控制、数据传输及与医院HIS网关接口； ◆ 采用2.4 GHz频段，其设计构架符合IEEE 802.15.4协议与ZigBee协议，属于无需许可证频段； ◆ 接收灵敏度
◆ 拥有0～15(共16)个可选工作信道
◆ 网络节点（报警终端）总数：4294967295节点 ◆ 网络号（网络ID）总数：65535组
◆ 每个医院有不同的网络号（网络ID），两个相互重叠复盖的网络，不会互相影响； ◆ 通信方式为双向，具有全握手功能，中间任何一个环节出问题，将重复进行。 ◆ 有紧急报警功能，必要时还能启动整个系统报警。
（图2）无线网络服务器
◆ 胁迫报警功能，操作人员受到胁迫时可启动胁迫报警 ◆ 有广播网对接功能，联动广播系统发出报警；
◆ 有短信发送功能，能将报警信息第一时间发送到校领导手机上
◆ 与110双网联动，有电话拔号语音报警与发送短信报警两种报警方式； ◆ 有报警记录查询功能
◆ 终端检测功能，可以对处警分站、无线中继路由器、固定式紧急报警终端、无线点阵式显示屏进行检测； ◆ 有时间日历功能。
◆ 三重口令安全防范功能；
2、处警分站
◆ 整个报警网络内可以设多个处警分站，分别安装在不同的执勤点，以便值勤保安就近处警，及时到达报警点； ◆ 报警显示功能：用于显示报警点信息，有多个报警时依次循环显示，呼入个数没有限制：
◆ 取消复位功能：当多个报警时依次循环显示所有报警的点号，按消除功能键可以清除当前报警号，未消除的报警将继续显示；
◆ 时间显示功能：当没有报警时显示时间，自带充电电池断电时时间不丢失。具有永久万年历，可随时查询年份、日期、星期及时间。
◆ 采用2.4 GHz频段，其设计构架符合IEEE 802.15.4协议与ZigBee协议，属于无需许可证频段； ◆ 接收灵敏度
◆ 通信方式为双向，具有全握手功能，具有中继路由器功能，可转发其他报警点数据；
3、无线中继路由器
◆ 无线报警设备与无线网络服务器有效接收范围内不需要中继器，（宽广直线距离2公里）； ◆ 超过有效接收范围的报警设备与无线网络中最接近的中继器组成网络链接路由与服务器通信；
◆ 中继路由器具有自动建立数据链路功能与自动链路修复功能，一旦某一数据链路不畅，能自动寻找另外一条链路，直到与服务器联通为止。
◆ 中继路由器在移动定位报警中作为定位接收的参考节点，通过接收强度指示（RSSI）算法获得移动按钮的位置，将移动按钮的位置的数据发送到服务器。
（图3）中继路由器
（图3）处警分站
4、固定式紧急报警终端
◆ 固定式报警终端安装在医护人员工作的固定场所与其他需要的公共区域；
◆ 固定式报警终端与服务器接收距离为200米（宽广直线距离），超过有效接收距离将通过中继路由器转接； ◆ 服务器启动后整个无线网络开始形成，报警终端将自动入网；
◆ 按报警按钮，发出报警，红色LED指示灯点亮，收到主机确认信息红色LED指示灯闪烁。 ◆ 报警终端与主机实现双向通信，需要时可在主机控制下启动报警终端的警报声。 ◆ 报警终端不能取消报警。主机解除报警时，报警指示灯、警报声同时关闭。
◆ 具有电池电压欠压提示功能电池欠压时红色LED指示灯暗亮闪烁；具有防拆防盗报警功能。
◆ 内有高性能锂电池，时待机时间可达1年-2年。
5、移动式紧急报警按钮
◆ 移动式报警按钮便于医护人员随着携带，具有院内定位功能；报警时可以确定确切的报警位置。◆ 移动式报警按钮与中继路由器之间通信距离为：100米（宽广直线距离）； ◆ 主机启动后，整个无线网络开始形成，报警按钮进入无线射频区时能自动入网。 ◆ 报警时红色LED指示灯点亮，收到主机确认信息红色LED指示灯闪烁。
◆ 报警按钮不能取消报警。主机解除报警时指示灯熄灭。
◆ 具有电压欠压提示功能，电池欠压时红色LED指示灯暗亮闪烁 。 ◆ 待机时间＞1年-2年，视使用率而定。
（图5）固定式报警终端
（图6）移动式报警按钮
6、无线点阵式显示屏（可任选）
◆ 点阵式LED显示屏可以安装在任何需要的地方，个数不限；
◆ 点阵式LED显示屏可以从任何中继路由器、报警求救终端接收显示数据；
◆ 与任何中继路由器、报警求救终端有效接收范围为距离2公里（宽广直线距离）；
◆ 没有报警时显示广告；
◆ 报警时显示报警内容，用中文显示报警点号与报警内容； ◆ 双面显示屏电源：220AC，全亮功率
（图6）点阵式LED显示屏
四、开发要点：
1、将短距离微功率器件组成无线网，使无线传输距离不受限制
目前市场上能见到的无线报警器（或称无线呼叫器），接收距离非常有限，适应不了医院面积大、距离远的紧急报警布防要求。有的产品为了增加收发距离，通过加大发射功率或增高接收天线的办法，虽然勉强能用，但存在问题：一是加大发射功率往往超出国家无线电管理委员会标准允许范围，医院是公共场所，一经发现必定要求整改或勒令拆除，给医院成造不必要的损失。二是增高接收天线势必增加成本，影响美观，还存在大风、雷电等恶劣天气下的安全隐患。三是大功率发射会造成对有关医疗仪器的干扰，这是绝对不允许的。
本产品采用将短距离微功率器件组成无线网络的办法，在不增加发射功率与不架设高增益天线的前提下，解决无线紧急报警要求远距离传输的技术难题。真正做到了无线传输距离不受限制，报警收发不受地域空间制约，符合国家无线电管理委员会标准。
短距离微功率器件无线网络报警系统为什么反而传输距离更远呢？因为各报警终端与接收主机都是一个个微型无线转发站，由这些终端与主机组成一个小型的无线蜂窝网。十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个报警终端类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；所有终端都可以设置成是数据转发中继器（或称路由器），不仅具有报警终端的功能，还肩负着数据转发的任务，终端的报警信号不管路途多么遥远，都能通过中继器逐级上传到主机，主机的回复控制命令也能逐级下达到各级终端。
利用短距离微功率器件通过无线组网这种技术手段，既符合小功率无线国标要求范围，又解决了无线远距离传输的难题，使无线传输距离不受限制。
2、微型无线蜂窝网双向通信数据传输可靠，克服了单向报警误报漏报无法纠正的缺陷
目前常用无线报警器一般采用遥控器（摩托车遥控器、车库门遥控器）机理，由遥控器编码集成电路发出一组地址编码与按键信息，通过幅移键控（OOK）将二进制数据载波到315mH或433mH频段上发射出去。接收端将遥控器发射的无线信号，通过解码集成电路还原出地址编码与按键信息，完成接收工作。由于遥控器采用单向通信方式，受外部空间多种因素干扰，往往会产生漏报误报，使报警器质量大打折扣。另外单向报警器还普遍存在着一个通病，即两只报警器同时报警时，主机无法收到报警信号，这是因为两只报警器发出电波在空中产生干扰，主机无法识别。一旦因干扰发生了误报漏报单向报警器是无法得到纠正的。
本系统采用微型无线蜂窝网的双向通信功能，彻底解决了这一技术难点。报警终端发出的信号得到主机确认无误后，才能启动报警终端的声光信号，解决了误报问题。报警终端没有收到主机确认信号，将继续不断重发报警信号，解决了漏报问题。主机不断检测报警终端，一旦发现报警终端回应信号有误码时进行及时纠正，解决了干扰问题。如果报警终端没有回应就发出提示或报警，解决了报警终端被破坏或被偷盗的问题。
3、利用无线定位引擎技术，解决医生查房等运动过程中报警定位
ZIGBEE定位引擎技术是根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示(RSSI)，计算所需定位的位置。当医生离开固定诊疗点通过随身携带的报警器报警时，具有已知位置的定位引擎射频的参考节点，收到不同强弱的(RSSI)信号，计算所根据多达16个不同参考节点的(RSSI)信号计算出医生报警时所在的位置，实现医生的移动定位报警。
4、与110指挥中心双网联动
本系统与110指挥中心采用双网联动设计，即同时采用电话线直拔110报警与短信发送到110报警平台报警两种联接方式（需要时还可采用第三种方式GPRS联网）。采用两种方式联动报警更可靠、更及时、更明确。特别是电话线被入侵者破坏时还能通过短信方式报警。 通过短信还可将报警信息发送到指定的1-10只手机上，使医院有关领导第一时间知道报警内容，及时了解医院动态。
5、与医院广播网通过无线对接
本系统可与医院广播系统对接，一旦收到报警，立刻自动启动医院广播网，向全院发广播报警。
有的医院接警中心（设在消控室）与广播控制中心有一定的距离，要将报警信号切入广播系统存在空间距离的限制，为了更适合实际需要，本系统采用无线远程控制方式，将报警信号强制切入到广播系统中。即在广播控制中心设有无线远程控制强切机，通过报警主机远程控制将报警信号与语音信号切入到广播系统中。
6、更符合医院要求
报警终端采用铝合金外壳密封，防止人为破坏，内带充电电池，断电后可继续工作，按报警键后灯光闪烁，主机收到确认后，终端内警报鸣响，报警消除只能通过主机完成，管理方便。报警终端面板设有测试按钮可用于定时检测。主机有紧急报警、胁迫报警功能，突发事件发生时还可以启动所有报警终端同时发出警报声。
五、技术先进性
1、自主开发微型无线蜂窝网（ZigBee）
ZigBee是一个由短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线模块组成的一个无线网络,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络无线模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与作为监控对象，例如报警终端的报警信息的采集、传输和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料; 除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立。
本产品选用基于 Freescale公司的MC1321X硬件平台。MC1321X是Freescale公司推出的一款SoC芯片，它主要由微处理器和射频模块两部分组成。微处理器采用8位的HCS08内核，集成了1个 SPI(Serial Peripheral Interface)接口、1个8路的8/10位A/D转换器、2个TPM(Timer/PWM)模块、2个SCI(Serial Communication Interface)接口、2个I2C和1个8路的KBI(Keyboard Interrupt)接口。射频模块的工作频段是2.4 GHz，通过SPI总线与处理器通信。其硬件物理层完全符合IEEE 802.15.4协议的MAC与PHY（物理层）规范。
在网络层方面我们借用芯片供应商提供的ZigBee软件包进行二次开发，根据医院无线报警系统自身的特点，合理取舍，降低复杂度，提高适应性，使产品更加科学、更加合理、更加实用。将报警系统中报警终端作为ZigBee无线网络的节点（FFD路由中继器节点与RFD终端节点），将报警控制器（报警主机）作为ZigBee无线网中的FFD全功能设备（Full-Function Device；FFD），组成一个我们称为微型无线蜂窝网的ZigBee无线网络。ZigBee无线网络在医院无线报警系统中的应用作了初步尝试与探索。
2、报警系统从遥控器时代走向网络化时代
目前常用无线报警器（或称无线呼叫器）一般采用的是遥控器的编解码技术。采用是编解码技术的无线报警器存在着许多缺陷：
1、只能单向通信，误报漏报无法纠正；
2、发射接收距离短，覆盖范围有限；
3、调制技术落后，干扰难以避免；
4、地址编码量少，容易被入侵。
本系统充分利用ZigBee无线网络节点（FFD）具有由中继器功能，可以转发来自其他节点数据的特点，将报警终端设置成中继器节点（FFD）组成类似移动通信蜂窝网的微蜂窝无线网，使报警系统从遥控器编解码技术时代跨越到无线网络时代，产品性能得到进一步提升。
2.1、克服漏报的技术手段
本系统中充分利用ZigBee无线网络的免冲突的载波检测多址接入(CSMA/CA)机制，避免了报警信号传输过程中的冲突。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输，若产生碰撞，则稍后一段时间重发。所有报警终端只有在检测到无任何发射信号的时隙内才会发射信号，避免了电磁波在空中无序碰撞。一旦有发射间隙立刻将数据传送，且发送的每个数据都必须等待接收方的确认，没有得到确认方的回复就必须再传一次。这种只在空闲时隙才发送的机制很好地解决了报警信号碰撞的问题。发送的信号必须有回复、有落实，大大提高了系统信息传输的可靠性。采用talk-when-ready的碰撞避免机制，彻底解决了编解码技术的存在漏报的难题。 2.2、防止误报的技术策略
编解码技术的误报：一是非法器件的入侵，二是因干扰产生的错误得不到纠正。
编解码的地址编码量总共只有100万组，全世界所有遥控器的编码都在这个总量内使用，采用编解码的报警系统碰上非法器件的入侵不是没有可能的。编解码技术没有网络安全的概念，非法器件的入侵非常容易，因此社会上出现了大量的干扰仪、解码器等违法犯罪的勾当。
ZigBee无线网络的节点数已达45亿亿个，节点数目十分可观。其二，Zigbee对网络安全性十分重视，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。本产品采用第三级安全级别来实施的。
编解码技术由于通信是单向的，因干扰产生的错误无法得到纠正。在医院无线报警系统设计中，我们充分利用Zigbee网络具有双向通信功能的特点，对报警数据进行了较为严格数据完整性检查与严格的错误校验算法（CRC-16/32）。一旦发现数据有错，立即通知对方重发，确保数据传输正确无误。
本系统中，完全采用了Zigbee网络安全技术与数据完整性检查技术，使系统更加安全可靠，防止误报错报发生。 2.3、抗干扰技术措施
与编解码技术中使用的ASK技术不同，我们在医院无线报警系统设计中采用了无线通信中最先进的直接序列扩频（DSSS）技术，增强了抗干扰能力；采用OQPSK数字相移键控调制技术，大大降低了数据传输的误码率；采用免冲突的载波检测多址接入(CSMA/CA)机制，避免了数据传输过程中的冲突。使医院无线报警系统抗干扰力更强，保密性更好，误码率更低，传输距离更远。
3、利用ZigBee网络技术，使医院无线紧急报警系统更具特色。
3.1、报警有确认，报警者更安全
一般的报警终端的声光信号不是由主机控制的，这会给报警者产生主机是否收到的疑虑感。本系统报警终端的声光信号完全由主机控制的。从医务工作者按下报警按钮，到看到警灯闪烁、听到警笛响起的一瞬间，系统主机已完成了接收报警、确认回复、到启动终端声光信号整个过程。只要看到警灯闪烁、听到警笛响起，你的报警已成功。因为只有当主机收到报警确认后，并由主机发出指令给报警终端才能启动警报器的声光信号。这样做的好处是：警声响起量说明报警已成功，我们可以大胆与歹徒展开较量了。
3.2、广播系统用无线远程控制方式接入
通常医院的广播中心与安保有一定的距离，为了克服这一空间障碍，及时将紧急报警信号接入到广播系统中，为此专门设计了一套广播系统无线接入设备，通过无线远程控制方式接入办法将报警信号与语音信号切入到广播系统。
3.3、突发事件可启用全程报警
主机设有紧急报警按钮，当遇到突发事件，可向所有报警终端发出报警，启动所有报警终端发出声光信号，提醒全体医务人员引起警惕。 3.4、定期检测使系统更安全可靠
主机能定期对所有报警终端进行检测，一旦发现某个报警终端故障或被入侵者带离无线信号覆盖范围以外，将发出警告与报警。 3.5、安装维护更方便
报警终端是否入网或脱网一看指示灯就明白。
4、系统技术参数：
◆ 频段：2.4-2.483GHz，共16个信道 ◆ 通讯协议标准：IEEE 802.15.4 与Zigbee ◆ 网络拓扑结构：网状网、星型 ◆ 调制方式：DSSS （O-QPSK） ◆ 数据传输速率：最大250KBps ◆ 寻址方式：64位IEEE地址，16位网络ID地址 ◆ 数据加密：128-bit AES ◆ 错误校验：CRC-16/32 ◆ 信道接入方式：CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA ◆ 信道总数：16 ◆ 报警终端数：16信道×64位地址×16位网络ID =4503530906845200个（45亿亿）；
◆ 通信时延 15ms-30ms。典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。 ◆ 最大发射功率 25dbm ◆ 接收灵敏度 -92dbm ◆ 工作温度 -40-85℃
◆ 天线 2.4G外置天线（φ8×200mm） ◆ 通信距离 2000米
◆ 数据接口 RS232/485（RJ45接口） ◆ 电源 AC220V±10% 50Hz 10W
