摘  要： 設計了一套基于Z-wave的網絡泵無線通信系統(tǒng)。系統(tǒng)以注藥泵傳感器和ZM3102模組為核心，從網絡泵無線通信系統(tǒng)的體系結構、軟硬件、網絡協(xié)議、組網等方面闡述了網絡泵系統(tǒng)的特點和設計方法。最后經過測試，驗證了系統(tǒng)通信的可靠性和組網的簡易性。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。

　　關鍵詞： Z-wave；網絡泵；無線通信

0 引言

　　在醫(yī)院的許多臨床應用中，需要對病人進行靜脈持續(xù)給藥，如癌癥化療、術后鎮(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士的工作量。隨著科學技術的發(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量，也減少了護士工作量。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)護人員人為記憶，容易出現(xiàn)偏差[1]。

　　近年來無線傳感器網絡發(fā)展迅速，其在醫(yī)療領域的應用也越來越廣[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線網絡系統(tǒng)，對給藥者的注藥泵信息進行實時采集，從而方便查看注藥泵運行狀態(tài)，便于管理。有研究人員嘗試將ZigBee應用于注藥泵的無線傳感器網絡，但ZigBee組網復雜，功率消耗較高[4-6]。

　　為了克服ZigBee組網復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Z-wave，設計了一套基于Z-wave的網絡泵無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成對注藥泵運行數據的采集和狀態(tài)的更新，然后無線傳輸到監(jiān)控PC。測試結果表明，該系統(tǒng)可行且組網簡易。

1 系統(tǒng)架構設計

　　本系統(tǒng)使用基于Z-wave的無線傳感網絡技術，借鑒了Z-wave的智能家居設計研究經驗，網絡泵無線通信系統(tǒng)架構如圖1所示。

　　整個系統(tǒng)由網絡泵節(jié)點、Z-stick和PC機三部分組成，其中節(jié)點是網絡泵，它是在愛普科學儀器（蘇州）有限公司設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絡，把Z-wave命令顯示到它連接的監(jiān)護PC上，增強對網絡內所有網絡泵節(jié)點的控制。其功能是將采集到的網絡泵數據通過串口轉USB的方式傳給PC機。圖2所示為數據傳輸過程。

　　每個網絡泵無線通信網絡里的網絡泵節(jié)點多達到232個，還可通過組網擴充更多的節(jié)點。可以根據醫(yī)院的需要，靈活調節(jié)網絡泵無線通信系統(tǒng)的大小。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)主要包括網絡泵的硬件設計、軟件設計和在PC上對整個系統(tǒng)操作管理的軟件設計。

　　2.1 網絡泵的硬件設計

　　網絡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)板為基礎構建開發(fā)。其基本結構如圖3所示。

　　網絡泵的核心是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，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。

　　網絡泵硬件設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不同，濾波器SAW也是不同的。盡量使天線遠離電路，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大的抗干擾性，增加了系統(tǒng)的可靠性[7]。網絡泵電路圖如圖4所示。

　　2.2 網絡泵的軟件設計

　　網絡泵無線通信系統(tǒng)網絡中，網絡泵節(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)機包括四個狀態(tài)，分別為空閑、幀解析、串行發(fā)送、校驗。當有信息需要發(fā)送時空閑狀態(tài)就轉為校驗狀態(tài)，當接收到信息時，就轉為幀解析狀態(tài)，如果沒有任何操作，則維持空閑狀態(tài)。如果請求無響應，幀解析狀態(tài)就轉為空閑狀態(tài)；如果有響應，發(fā)送解析狀態(tài)就轉為串行發(fā)送狀態(tài)。

　　2.3 網絡泵管理系統(tǒng)軟件設計

　　網絡泵的軟件設計是在Zensys提供的動態(tài)鏈接庫（Dynamically Linked Library， DLL）基礎上進行的。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。

　?。?）節(jié)點操作主要負責網絡泵的加入或移除。

　?。?）實時監(jiān)控主要負責網絡泵數據的采集。網絡泵的信息根據定時器定時向PC傳輸。PC將數據進行處理后在PC上顯示。應用程序實現(xiàn)PC機與網絡泵接收和發(fā)送信息的通信。

　　（3）歷史信息采集主要對歷史網絡泵狀態(tài)信息的讀取。

　?。?）報警主要用于網絡泵出現(xiàn)異常狀況，不能正常運行時。

　　該管理系統(tǒng)軟件完成了對網絡泵節(jié)點的操作，并通過Z-wave USB適配器與網絡泵節(jié)點通信；對采集的狀態(tài)信息進行了處理和顯示；界面操作簡單，主要用于實時查看。由于網絡泵無線通信系統(tǒng)是雙向通信系統(tǒng)，可以發(fā)送命令進行控制，但醫(yī)藥設備一般不采用控制，只是發(fā)送命令讀取數據狀態(tài)來保證網絡泵的應用安全。

3 網絡協(xié)議與組網的實現(xiàn)

　　3.1 網絡協(xié)議

　　本系統(tǒng)無線傳輸網絡采用Z-wave無線傳輸協(xié)議，相對于其他無線通信標準而言，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]。應用層是一個快速存儲器（閃存），主要是便于廠家預置他們的應用軟件，用于采集網絡泵的數據，查看狀態(tài)。協(xié)議的主要功能：設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束；確認模式的幀傳送與接收；配置應用休眠的節(jié)能模式。當有節(jié)點進行數據傳送時，MAC層有一個沖突避免機制防止其他節(jié)點開始傳送。

　　這樣的設計盡可能地降低了成本，易于實現(xiàn)，數據傳輸可靠，短距離操作以及非常低的功耗。

　　3.2 網絡泵系統(tǒng)組網

　　根據系統(tǒng)構建的需要，網絡泵網絡設計為網狀結構（也稱“多跳”網絡），如圖6所示。該結構具有組網簡單、通信可靠性強的特點。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，把網絡泵添加進網絡系統(tǒng)，就會根據需要自動生成通信路徑。網絡泵網絡完全具有Z-wave網絡的優(yōu)點，采用了動態(tài)的路由協(xié)議，網絡泵網狀網絡中，任何一個網絡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，那么還可以將數據路由到另一個網絡泵。數據以這種方式不斷地從一個網絡泵 “跳”到另一個網絡泵，直到到達需要讀取數據的網絡泵，非常適合醫(yī)院網絡泵組網的需要[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內的位置，PC軟件都能讀取網絡泵的狀態(tài)數據，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）。網絡泵模塊中一般使用通信錯誤率（CER）來表示網絡泵節(jié)點通信間的可靠性。假定在一個網絡泵無線通信系統(tǒng)中，給藥者攜帶網絡泵離Z-stick 30 m，通過測試可以得到，網絡泵模塊的通信錯誤率（CER）小于10-6。

　　4.2 組網測試

　　通過微電腦注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件，可以方便地進行組網測試，軟件界面如圖7所示。

　　當有某網絡泵要加入網絡時，點擊增加節(jié)點，這個網絡泵就會自動加入網絡，主控制器將給它分配與這個網絡相同的HOME.ID，并同時擁有不同且依序的NODE.ID。

5 網絡泵系統(tǒng)分析

　　本系統(tǒng)把Z-wave用于智能家居設計的方案，根據其特點和優(yōu)勢用于無線醫(yī)藥設備通信系統(tǒng)中，開發(fā)出網絡泵無線通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有以下特色和創(chuàng)新：

　　（1）對醫(yī)院里比較分散的注藥泵采用了Z-wave的組網方式，組網簡單、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技術的應用擴展到了醫(yī)院的注藥泵的無線通信系統(tǒng)，充分發(fā)揮了Z-wave的技術特點。

6 結論

　　本文采用無線傳感器網絡技術、Z-wave技術、傳感器技術、嵌入式技術和計算機技術設計了網絡泵無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)將醫(yī)院的注藥泵無線化、網絡化、智能化。同時該系統(tǒng)成本低、功耗低、信息傳輸可靠性強，非常適合醫(yī)院注藥泵系統(tǒng)的無線管理，具有較好的經濟效益。

參考文獻

　　[1] 紀洪新，趙淑紅，杜明艾.PICC聯(lián)合微電腦自動注藥泵持續(xù)化療的護理[J].齊魯護理雜志，2009，15（23）：56-58.

　　[2] 董大鵬，唐曉英，劉偉峰，等.無線傳感器網絡技術在醫(yī)療監(jiān)護中的應用[J].電子技術應用，2008，34（10）：29-31.

　　[3] 滕志軍，屈銀龍，趙雷.ZigBee在病房護理呼叫系統(tǒng)中的應用研究[J].電子技術應用，2011，37（11）：52-57.

　　[4] 蔣建平，陳輝.降低ZigBee網絡能耗的路由安全算法[J].電子技術應用，2012，38（7）：140-143.

　　[5] 孫錦中.基于CC2420的ZigBee通信節(jié)點的設計與實現(xiàn)[J].微型機與應用，2010，29（19）：22-27.

　　[6] 彭建華，王新.ZigBee與Z-Wave通信技術比較研究[J].山西電子技術，2012（4）：62-64

　　[7] 李杰，陳曦.無線傳感器網絡隨機調度算法研究[J].計算機應用，2011，31（3）：594-597.

　　[8] 徐小濤，黃旭林，朱學維.Z-Wave近距離無線通信技術的應用研究[J].信息技術與標準化，2008（10）：34-36.

　　[9] 張勇，盧志強，王小榮.Z-Wave無線通信技術在智能家居中的應用[J].智能建筑電氣技術，2010，4（2）：57-58.

　　[10] 滿莎，楊恢先.基于ARM9的嵌入式無線智能家居網關設計[J].計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.