基于Z-wave無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)泵開發(fā)

龔江濤（1.成都理工大學(xué)　信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南　株洲　412001）

基于Z-wave無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)泵開發(fā)

龔江濤1，2
（1.成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610059；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲412001）

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。

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(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］?；诖耍藗兗傧氚厌t(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(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。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)泵節(jié)點、Z-stick和 PC機三部分組成，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PC上，增強對網(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。圖2所示為數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖2　數(shù)據(jù)傳輸

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。

圖3　網(wǎng)絡(luò)泵開發(fā)系統(tǒng)硬件模型

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。

圖4　網(wǎng)絡(luò)泵電路圖

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。

圖5　網(wǎng)絡(luò)泵程序流程圖

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(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。

（2）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)進行處理后在PC上顯示。應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)PC機與網(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。

（4）報警主要用于網(wǎng)絡(luò)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(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)點進行數(shù)據(jù)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(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)。

圖6　網(wǎng)絡(luò)泵網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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，可以方便地進行組網(wǎng)測試，軟件界面如圖7所示。

圖7　注藥泵集中管理系統(tǒng)軟件界面

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：

（1）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。

（3）把智能家居中的Z-wave技術(shù)的應(yīng)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(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，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)濟效益。

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The design of network pump based on Z-wave

Gong Jiangtao1，2
（1.College of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

This paper designed a wireless communication system of network pump based on Z-wave.Taking medication pumps sensor and ZM3102 module as the core，the characteristics and design method of network pump system are discussed from the structure of network pump system，software and hardware，network protocol，networking.Finally，through testing，the reliability of communication and network simplicity are verified.The system can commonly used to hospital medical treatment.It can provide an intelligence，convenient environment.

Z-wave；network pump；wireless communication

TN92

A

1674-7720（2015）05-0054-03

（2014-11-03）

龔江濤（1981-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：無線通信技術(shù)、數(shù)字通信系統(tǒng)。