摘  要： 設(shè)計了一套基于Z-wave的網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(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)的特點和設(shè)計方法。最后經(jīng)過測試,，驗證了系統(tǒng)通信的可靠性和組網(wǎng)的簡易性,。該系統(tǒng)可以普遍用于醫(yī)療醫(yī)院，可為醫(yī)院提供一個智能,、方便的環(huán)境,。

　　關(guān)鍵詞： Z-wave；網(wǎng)絡(luò)泵,；無線通信

0 引言

　　在醫(yī)院的許多臨床應(yīng)用中,，需要對病人進(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,，由于攜帶方便，病人活動范圍擴(kuò)大,，使得病人位置分散,，難于管理，而且對每個注藥泵的狀態(tài)需要醫(yī)護(hù)人員人為記憶,，容易出現(xiàn)偏差[1],。

　　近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，其在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣[2-3],。基于此,，人們假想把醫(yī)院里的微電腦便攜式注藥泵組成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，對給藥者的注藥泵信息進(jìn)行實時采集，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，本文采用另外一種無線通信技術(shù)Z-wave，設(shè)計了一套基于Z-wave的網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以完成對注藥泵運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和狀態(tài)的更新,，然后無線傳輸?shù)奖O(jiān)控PC。測試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)可行且組網(wǎng)簡易,。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

　　本系統(tǒng)使用基于Z-wave的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，借鑒了Z-wave的智能家居設(shè)計研究經(jīng)驗,，網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,。

　　整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點、Z-stick和PC機(jī)三部分組成,，其中節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)泵,，它是在愛普科學(xué)儀器（蘇州）有限公司設(shè)計的微電腦便攜式注藥泵中嵌入了Z-wave無線模塊而形成。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)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點的控制,。其功能是將采集到的網(wǎng)絡(luò)泵數(shù)據(jù)通過串口轉(zhuǎn)USB的方式傳給PC機(jī)。圖2所示為數(shù)據(jù)傳輸過程,。

　　每個網(wǎng)絡(luò)泵無線通信網(wǎng)絡(luò)里的網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點多達(dá)到232個,，還可通過組網(wǎng)擴(kuò)充更多的節(jié)點?？梢愿鶕?jù)醫(yī)院的需要,，靈活調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng)的大小。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)主要包括網(wǎng)絡(luò)泵的硬件設(shè)計,、軟件設(shè)計和在PC上對整個系統(tǒng)操作管理的軟件設(shè)計,。

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)泵的硬件設(shè)計

　　網(wǎng)絡(luò)泵的硬件部分包括注藥泵和ZM3102模組。以8 bit ATMEGA128L微處理器開發(fā)板為基礎(chǔ)構(gòu)建開發(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)計的射頻部分同時考慮了868.42 MHz（歐洲及中國）、908.42 MHz（美國）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,，確保射頻信號的有效接收和發(fā)送,。RF天線具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(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

　　網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點并不是時時刻刻在工作,，只有在被需要時,，才開啟電源工作。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)包括四個狀態(tài)，分別為空閑,、幀解析,、串行發(fā)送、校驗,。當(dāng)有信息需要發(fā)送時空閑狀態(tài)就轉(zhuǎn)為校驗狀態(tài),，當(dāng)接收到信息時，就轉(zhuǎn)為幀解析狀態(tài),，如果沒有任何操作,，則維持空閑狀態(tài)。如果請求無響應(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

　　網(wǎng)絡(luò)泵的軟件設(shè)計是在Zensys提供的動態(tài)鏈接庫（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)點操作,、實時監(jiān)控、歷史信息采集,、報警,。

　　（1）節(jié)點操作主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)泵的加入或移除。

　?。?）實時監(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)定時器定時向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歷史網(wǎng)絡(luò)泵狀態(tài)信息的讀取,。

　?。?）報警主要用于網(wǎng)絡(luò)泵出現(xiàn)異常狀況，不能正常運(yùn)行時,。

　　該管理系統(tǒng)軟件完成了對網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點的操作,，并通過Z-wave USB適配器與網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點通信；對采集的狀態(tài)信息進(jìn)行了處理和顯示,；界面操作簡單,，主要用于實時查看。由于網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(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)的實現(xiàn)

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

　　本系統(tǒng)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用Z-wave無線傳輸協(xié)議,，相對于其他無線通信標(biāo)準(zhǔn)而言，Z-wave協(xié)議棧更為緊湊,、簡單和靈活,。

　　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)用層是一個快速存儲器（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)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時,，MAC層有一個沖突避免機(jī)制防止其他節(jié)點開始傳送。

　　這樣的設(shè)計盡可能地降低了成本,，易于實現(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)計為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（也稱“多跳”網(wǎng)絡(luò)）,，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)具有組網(wǎng)簡單,、通信可靠性強(qiáng)的特點,。只需要通過微電腦注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件上的節(jié)點操作，把網(wǎng)絡(luò)泵添加進(jìn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),，就會根據(jù)需要自動生成通信路徑,。網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)絡(luò)完全具有Z-wave網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，采用了動態(tài)的路由協(xié)議,，網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中,，任何一個網(wǎng)絡(luò)泵都可以作為路由器或接入點。如果最近的接入點受到信號阻斷的影響,，那么還可以將數(shù)據(jù)路由到另一個網(wǎng)絡(luò)泵,。數(shù)據(jù)以這種方式不斷地從一個網(wǎng)絡(luò)泵 “跳”到另一個網(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),，實時了解泵的狀態(tài)。

4 性能測試

　　4.1 通信節(jié)點測試

　　可靠性測試一般有3種方法,，即測試比特錯誤率（BER）,，幀錯誤率（FER）及通信錯誤率（CER）。網(wǎng)絡(luò)泵模塊中一般使用通信錯誤率（CER）來表示網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點通信間的可靠性,。假定在一個網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng)中,，給藥者攜帶網(wǎng)絡(luò)泵離Z-stick 30 m，通過測試可以得到,，網(wǎng)絡(luò)泵模塊的通信錯誤率（CER）小于10-6,。

　　4.2 組網(wǎng)測試

　　通過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，點擊增加節(jié)點,，這個網(wǎng)絡(luò)泵就會自動加入網(wǎng)絡(luò),，主控制器將給它分配與這個網(wǎng)絡(luò)相同的HOME.ID，并同時擁有不同且依序的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)計的方案,，根據(jù)其特點和優(yōu)勢用于無線醫(yī)藥設(shè)備通信系統(tǒng)中,，開發(fā)出網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng),。本系統(tǒng)具有以下特色和創(chuàng)新：

　?。?）對醫(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)簡單,、快捷,。

　　（2）由于協(xié)議的緊湊降低了整個系統(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)院的注藥泵的無線通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Z-wave的技術(shù)特點,。

6 結(jié)論

　　本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、Z-wave技術(shù)、傳感器技術(shù),、嵌入式技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(tǒng),。該系統(tǒng)將醫(yī)院的注藥泵無線化、網(wǎng)絡(luò)化,、智能化,。同時該系統(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)的無線管理，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益,。

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