摘  要： 設(shè)計(jì)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(diǎn)和設(shè)計(jì)方法。最后經(jīng)過測(cè)試，驗(yàn)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(gè)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(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]?；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(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)簡易。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(jì)研究經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)泵無線通信系統(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(gè)網(wǎng)絡(luò)泵無線通信網(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(jì)的射頻部分同時(shí)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(hào)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(jì)

　　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(diǎn)并不是時(shí)時(shí)刻刻在工作，只有在被需要時(shí)，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(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)，如果沒有任何操作，則維持空閑狀態(tài)。如果請(qǐng)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(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（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。

　　（1）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。

　?。?）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；界面操作簡單，主要用于實(shí)時(shí)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(shí)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(duì)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(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“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(diǎn)。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(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(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(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)簡單、快捷。

　　（2）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(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] 滿莎，楊恢先.基于ARM9的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，30（9）：2541-2544.