摘 要： 設(shè)計(jì)了一套基于Z-wave的網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng),。系統(tǒng)以注藥泵傳感器和ZM3102模組為核心,，從網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、軟硬件,、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,、組網(wǎng)等方面闡述了網(wǎng)絡(luò)泵系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。最后經(jīng)過(guò)測(cè)試,，驗(yàn)證了系統(tǒng)通信的可靠性和組網(wǎng)的簡(jiǎn)易性,。該系統(tǒng)可以普遍用于醫(yī)療醫(yī)院，可為醫(yī)院提供一個(gè)智能,、方便的環(huán)境,。
關(guān)鍵詞： Z-wave；網(wǎng)絡(luò)泵,；無(wú)線通信
0 引言
在醫(yī)院的許多臨床應(yīng)用中,，需要對(duì)病人進(jìn)行靜脈持續(xù)給藥，如癌癥化療,、術(shù)后鎮(zhèn)痛麻醉等,。一般是采用傳統(tǒng)的靜態(tài)方式，讓病人持續(xù)臥床或間斷床邊休息,。這樣限制了病人的活動(dòng)也加重了護(hù)士的工作量,。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微電腦便攜式注藥泵,，通過(guò)微電腦控制能精確勻速給藥,，提高了患者持續(xù)靜脈注射期間的生活質(zhì)量，也減少了護(hù)士工作量,。但這也存在著缺點(diǎn),，由于攜帶方便，病人活動(dòng)范圍擴(kuò)大,，使得病人位置分散,，難于管理，而且對(duì)每個(gè)注藥泵的狀態(tài)需要醫(yī)護(hù)人員人為記憶,，容易出現(xiàn)偏差[1],。
近年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣[2-3],?；诖?，人們假想把醫(yī)院里的微電腦便攜式注藥泵組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)給藥者的注藥泵信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,，從而方便查看注藥泵運(yùn)行狀態(tài),，便于管理。有研究人員嘗試將ZigBee應(yīng)用于注藥泵的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),，但ZigBee組網(wǎng)復(fù)雜，功率消耗較高[4-6],。
為了克服ZigBee組網(wǎng)復(fù)雜和功率消耗較高的缺點(diǎn),，本文采用另外一種無(wú)線通信技術(shù)Z-wave，設(shè)計(jì)了一套基于Z-wave的網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以完成對(duì)注藥泵運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)的更新,，然后無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控PC。測(cè)試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)可行且組網(wǎng)簡(jiǎn)易,。
1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)使用基于Z-wave的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借鑒了Z-wave的智能家居設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn),，網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,。
整個(gè)系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)、Z-stick和PC機(jī)三部分組成,，其中節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)泵,，它是在愛(ài)普科學(xué)儀器（蘇州）有限公司設(shè)計(jì)的微電腦便攜式注藥泵中嵌入了Z-wave無(wú)線模塊而形成。Z-stick一般直接插到電腦上,，是Zensys公司提供的一種自我供電的節(jié)能型Z-wave USB適配器,。它可以快速地組織網(wǎng)絡(luò)，把Z-wave命令顯示到它連接的監(jiān)護(hù)PC上,，增強(qiáng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)的控制,。其功能是將采集到的網(wǎng)絡(luò)泵數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)USB的方式傳給PC機(jī)。圖2所示為數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程,。
每個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)里的網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)多達(dá)到232個(gè),，還可通過(guò)組網(wǎng)擴(kuò)充更多的節(jié)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)醫(yī)院的需要,，靈活調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)的大小。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)泵的硬件設(shè)計(jì),、軟件設(shè)計(jì)和在PC上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)操作管理的軟件設(shè)計(jì),。
2.1 網(wǎng)絡(luò)泵的硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)泵的硬件部分包括注藥泵和ZM3102模組。以8 bit ATMEGA128L微處理器開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ)構(gòu)建開(kāi)發(fā),。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
網(wǎng)絡(luò)泵的核心是ZM3102模組,，ZM3102模組與注藥泵通過(guò)RS232接口相連。
ZM3102模組的核心部分是ZW0301集成電路,，其微控制器核心采用六倍速8051架構(gòu),，搭配32 KB的Flash ROM以及256 KB的SRAM，SPI/UART接口,。ZM3102模組的其他電路還有RF電源濾波器,、去耦電路、32 MHz晶體,、RF前端等,。
網(wǎng)絡(luò)泵硬件設(shè)計(jì)的射頻部分同時(shí)考慮了868.42 MHz（歐洲及中國(guó)）、908.42 MHz（美國(guó)）的兼容,，但是選頻電路的參數(shù)不同,，濾波器SAW也是不同的。盡量使天線遠(yuǎn)離電路,，確保射頻信號(hào)的有效接收和發(fā)送,。RF天線具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性，增加了系統(tǒng)的可靠性[7],。網(wǎng)絡(luò)泵電路圖如圖4所示,。
2.2 網(wǎng)絡(luò)泵的軟件設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)并不是時(shí)時(shí)刻刻在工作,，只有在被需要時(shí),，才開(kāi)啟電源工作。這種工作特性降低了功耗,，提高了電池的使用壽命,。軟件按功能分為：LCD驅(qū)動(dòng)模塊、通信協(xié)議模塊和中斷處理模塊,。
程序流程圖如圖5所示,。
這里的有限狀態(tài)機(jī)包括四個(gè)狀態(tài)，分別為空閑,、幀解析,、串行發(fā)送、校驗(yàn),。當(dāng)有信息需要發(fā)送時(shí)空閑狀態(tài)就轉(zhuǎn)為校驗(yàn)狀態(tài),，當(dāng)接收到信息時(shí)，就轉(zhuǎn)為幀解析狀態(tài),，如果沒(méi)有任何操作,，則維持空閑狀態(tài)。如果請(qǐng)求無(wú)響應(yīng),，幀解析狀態(tài)就轉(zhuǎn)為空閑狀態(tài),；如果有響應(yīng),，發(fā)送解析狀態(tài)就轉(zhuǎn)為串行發(fā)送狀態(tài)。
2.3 網(wǎng)絡(luò)泵管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
網(wǎng)絡(luò)泵的軟件設(shè)計(jì)是在Zensys提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（Dynamically Linked Library,， DLL）基礎(chǔ)上進(jìn)行的,。微電腦注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件主要由4部分組成：節(jié)點(diǎn)操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控,、歷史信息采集,、報(bào)警。
?。?）節(jié)點(diǎn)操作主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)泵的加入或移除,。
（2）實(shí)時(shí)監(jiān)控主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)泵數(shù)據(jù)的采集,。網(wǎng)絡(luò)泵的信息根據(jù)定時(shí)器定時(shí)向PC傳輸。PC將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后在PC上顯示,。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)PC機(jī)與網(wǎng)絡(luò)泵接收和發(fā)送信息的通信,。
（3）歷史信息采集主要對(duì)歷史網(wǎng)絡(luò)泵狀態(tài)信息的讀取,。
?。?）報(bào)警主要用于網(wǎng)絡(luò)泵出現(xiàn)異常狀況，不能正常運(yùn)行時(shí),。
該管理系統(tǒng)軟件完成了對(duì)網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)的操作,，并通過(guò)Z-wave USB適配器與網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)通信；對(duì)采集的狀態(tài)信息進(jìn)行了處理和顯示,；界面操作簡(jiǎn)單,，主要用于實(shí)時(shí)查看。由于網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)是雙向通信系統(tǒng),，可以發(fā)送命令進(jìn)行控制,，但醫(yī)藥設(shè)備一般不采用控制，只是發(fā)送命令讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)泵的應(yīng)用安全,。
3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)
3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
本系統(tǒng)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Z-wave無(wú)線傳輸協(xié)議,，相對(duì)于其他無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)而言，Z-wave協(xié)議棧更為緊湊,、簡(jiǎn)單和靈活,。
Z-wave協(xié)議棧包括應(yīng)用層（APP）、傳輸層（TRANSTER）,、媒體介入控制層（MAC）和射頻媒介（RF-MEDIA）[8-9],。應(yīng)用層是一個(gè)快速存儲(chǔ)器（閃存），主要是便于廠家預(yù)置他們的應(yīng)用軟件,，用于采集網(wǎng)絡(luò)泵的數(shù)據(jù),，查看狀態(tài),。協(xié)議的主要功能：設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束,；確認(rèn)模式的幀傳送與接收,；配置應(yīng)用休眠的節(jié)能模式。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),，MAC層有一個(gè)沖突避免機(jī)制防止其他節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳送,。
這樣的設(shè)計(jì)盡可能地降低了成本，易于實(shí)現(xiàn),，數(shù)據(jù)傳輸可靠,，短距離操作以及非常低的功耗。
3.2 網(wǎng)絡(luò)泵系統(tǒng)組網(wǎng)
根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)建的需要,，網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（也稱(chēng)“多跳”網(wǎng)絡(luò)）,，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單,、通信可靠性強(qiáng)的特點(diǎn),。只需要通過(guò)微電腦注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件上的節(jié)點(diǎn)操作，把網(wǎng)絡(luò)泵添加進(jìn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，就會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)生成通信路徑,。網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)絡(luò)完全具有Z-wave網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，采用了動(dòng)態(tài)的路由協(xié)議,，網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中,，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵都可以作為路由器或接入點(diǎn)。如果最近的接入點(diǎn)受到信號(hào)阻斷的影響,，那么還可以將數(shù)據(jù)路由到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵,。數(shù)據(jù)以這種方式不斷地從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵 “跳”到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵，直到到達(dá)需要讀取數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)泵,，非常適合醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)泵組網(wǎng)的需要[9-10],。
在本系統(tǒng)規(guī)劃中，病人攜帶注藥泵在距離Z-stick 100 m內(nèi)的位置,，PC軟件都能讀取網(wǎng)絡(luò)泵的狀態(tài)數(shù)據(jù),，實(shí)時(shí)了解泵的狀態(tài)。
4 性能測(cè)試
4.1 通信節(jié)點(diǎn)測(cè)試
可靠性測(cè)試一般有3種方法,，即測(cè)試比特錯(cuò)誤率（BER）,，幀錯(cuò)誤率（FER）及通信錯(cuò)誤率（CER）。網(wǎng)絡(luò)泵模塊中一般使用通信錯(cuò)誤率（CER）來(lái)表示網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點(diǎn)通信間的可靠性,。假定在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)中,，給藥者攜帶網(wǎng)絡(luò)泵離Z-stick 30 m，通過(guò)測(cè)試可以得到,，網(wǎng)絡(luò)泵模塊的通信錯(cuò)誤率（CER）小于10-6,。
4.2 組網(wǎng)測(cè)試
通過(guò)微電腦注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件,，可以方便地進(jìn)行組網(wǎng)測(cè)試，軟件界面如圖7所示,。
當(dāng)有某網(wǎng)絡(luò)泵要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí),，點(diǎn)擊增加節(jié)點(diǎn)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)泵就會(huì)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò),，主控制器將給它分配與這個(gè)網(wǎng)絡(luò)相同的HOME.ID,，并同時(shí)擁有不同且依序的NODE.ID。
5 網(wǎng)絡(luò)泵系統(tǒng)分析
本系統(tǒng)把Z-wave用于智能家居設(shè)計(jì)的方案,，根據(jù)其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)用于無(wú)線醫(yī)藥設(shè)備通信系統(tǒng)中,，開(kāi)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下特色和創(chuàng)新：
?。?）對(duì)醫(yī)院里比較分散的注藥泵采用了Z-wave的組網(wǎng)方式,，組網(wǎng)簡(jiǎn)單、快捷,。
?。?）由于協(xié)議的緊湊降低了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。
?。?）把智能家居中的Z-wave技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到了醫(yī)院的注藥泵的無(wú)線通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Z-wave的技術(shù)特點(diǎn),。
6 結(jié)論
本文采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、Z-wave技術(shù)、傳感器技術(shù),、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)泵無(wú)線通信系統(tǒng),。該系統(tǒng)將醫(yī)院的注藥泵無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化,。同時(shí)該系統(tǒng)成本低、功耗低,、信息傳輸可靠性強(qiáng),，非常適合醫(yī)院注藥泵系統(tǒng)的無(wú)線管理，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,。
參考文獻(xiàn)
[1] 紀(jì)洪新,，趙淑紅，杜明艾.PICC聯(lián)合微電腦自動(dòng)注藥泵持續(xù)化療的護(hù)理[J].齊魯護(hù)理雜志,，2009,，15（23）：56-58.
[2] 董大鵬，唐曉英,，劉偉峰,，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2008，34（10）：29-31.
[3] 滕志軍,，屈銀龍,，趙雷.ZigBee在病房護(hù)理呼叫系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2011,，37（11）：52-57.
[4] 蔣建平,，陳輝.降低ZigBee網(wǎng)絡(luò)能耗的路由安全算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2012,，38（7）：140-143.
[5] 孫錦中.基于CC2420的ZigBee通信節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,，2010，29（19）：22-27.
[6] 彭建華,，王新.ZigBee與Z-Wave通信技術(shù)比較研究[J].山西電子技術(shù),，2012（4）：62-64
[7] 李杰，陳曦.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)調(diào)度算法研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,，2011,，31（3）：594-597.
[8] 徐小濤，黃旭林,，朱學(xué)維.Z-Wave近距離無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,，2008（10）：34-36.
[9] 張勇，盧志強(qiáng),，王小榮.Z-Wave無(wú)線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].智能建筑電氣技術(shù),，2010，4（2）：57-58.
[10] 滿(mǎn)莎,，楊恢先.基于ARM9的嵌入式無(wú)線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,，2010，30（9）：2541-2544.