基于2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)的智能藥品配發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊世江,吳金增,徐 慶

(湘西土家族苗族自治州人民醫(yī)院,湖南 吉首 416000)

0 引言

目前,大部分醫(yī)院的藥品配發(fā)依舊沿用傳統(tǒng)的人工配發(fā)藥品方式,既增加了人員的工作量,又給藥房工作人員造成了不小的壓力。以往的藥品配發(fā)模式已無(wú)法適應(yīng)如今醫(yī)院的具體使用要求,并阻礙醫(yī)療衛(wèi)生信息化、智能化的發(fā)展步伐。從醫(yī)院的角度看,怎樣提升藥品配發(fā)效率,降低藥品配發(fā)的出錯(cuò)率,成了現(xiàn)階段醫(yī)療衛(wèi)生方面亟待解決的問(wèn)題。對(duì)此,智能化藥品配發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)就顯得非常關(guān)鍵。

1 基于2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)的智能藥品配發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 智能藥品配發(fā)系統(tǒng)整體架構(gòu)

如圖1所示,在患者交過(guò)費(fèi)之后,藥房的后臺(tái)系統(tǒng)就會(huì)馬上進(jìn)入配藥狀態(tài),HIS和自動(dòng)發(fā)框設(shè)備相連接,自動(dòng)發(fā)框設(shè)備中設(shè)置了無(wú)線通信模塊與紅外線識(shí)別電路,智能藥框中的無(wú)線通信模塊由紅外線識(shí)別電路觸發(fā),這時(shí)自動(dòng)發(fā)框設(shè)備就會(huì)把處方信息經(jīng)無(wú)線通信線路傳輸至智能藥框中。之后,系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入智能配藥環(huán)節(jié),藥房前端系統(tǒng)把患者的藥品都運(yùn)送到藥框中,接著工作人員把配好藥的藥框一一放在藥架上,一旦患者來(lái)取藥,人員只需刷處方單上的二維碼,終端設(shè)備就直接將智能藥框號(hào)碼和處方信息相匹配,終端設(shè)備利用藥框?qū)ふ一竞椭悄芩幙驑?gòu)建無(wú)線通信通道,最后把藥品配發(fā)給患者[1]。

圖1 智能藥品配發(fā)系統(tǒng)整體架構(gòu)

1.2 智能藥品配發(fā)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在編程設(shè)計(jì)方面,可利用GDE023A6為底層接口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì),其結(jié)合引腳BS1進(jìn)行合理配置,并通過(guò)GPIO口模擬四線SPI總線達(dá)到相應(yīng)目的。漢字庫(kù)芯片GT21L16S2Y的數(shù)據(jù)總線也采用了SPI總線的模式,單片機(jī)對(duì)漢字庫(kù)芯片字符點(diǎn)陣數(shù)據(jù)的讀取方式包括快速讀取與一般讀取,此次設(shè)計(jì)采用快速讀取的方式。對(duì)于字號(hào)的選擇,可選11×12或15×16類(lèi)型。

1.3 無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

綜合考慮,此次設(shè)計(jì)使用星狀通信系統(tǒng)。當(dāng)智能藥框的紅外識(shí)別模塊收到觸發(fā)信號(hào),并且收到單片機(jī)的備份寄存器數(shù)值信息后,無(wú)線收發(fā)器開(kāi)始給藥框發(fā)送初始數(shù)據(jù),因智能藥框具有抗干擾能力,對(duì)無(wú)線收發(fā)器設(shè)置強(qiáng)化模式ShockBurstTM。輪叫輪詢(xún)模式的運(yùn)用可以防止數(shù)據(jù)碰撞,從查找藥框到結(jié)束查找的過(guò)程中,無(wú)線收發(fā)器應(yīng)按順序發(fā)送輪詢(xún)幀給藥框,藥框在接收到輪詢(xún)幀以后,如果有需要的數(shù)據(jù)發(fā)送,就會(huì)立刻發(fā)送,待無(wú)線收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)包后,則以ACK的形式給藥框發(fā)送應(yīng)答信號(hào),該信號(hào)代表發(fā)送完成[2]。

設(shè)應(yīng)答包的發(fā)送時(shí)間為ti-ACK,藥框發(fā)送控制幀的時(shí)間為ti-ctl,無(wú)線收發(fā)器發(fā)送輪詢(xún)幀的時(shí)間為ti-Ntc,藥框發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間為ti,基于自動(dòng)應(yīng)答模式,智能藥框在發(fā)送數(shù)據(jù)后會(huì)轉(zhuǎn)換至接收模式,且等無(wú)線收發(fā)器的應(yīng)答,如果從發(fā)送自動(dòng)轉(zhuǎn)換成接收模式的時(shí)間為132 μs,SPI寫(xiě)入寄存器命令至少要152 μs。相關(guān)公式如下:

(1)

其中air date rate代表智能藥框與無(wú)線收發(fā)器的數(shù)據(jù)傳輸速率,為2 000 kbps,地址為5個(gè)字節(jié),CRC為2個(gè)字節(jié),控制幀有效字節(jié)為1。通過(guò)將上述參數(shù)代入,得到發(fā)送應(yīng)答包的時(shí)間約0.038 m/s。藥框發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間為0.12 m/s,無(wú)線收發(fā)器發(fā)送輪詢(xún)幀和藥框控制幀的時(shí)間為0.04 m/s。無(wú)線通信系統(tǒng)輪詢(xún)以此的時(shí)間t2公式如下:

t2=290 μs+130 μs+ti-ACK+tctl+130 μs+290 μs+ti-Ntc+ti

(2)

單位時(shí)間(1 s)內(nèi)可容納最大從機(jī)數(shù)量相關(guān)公式如下:

No=1/t2

(3)

通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)模型,根據(jù)衡量系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)分析,即網(wǎng)絡(luò)載荷G、吞吐量S,基于系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,在時(shí)間t0中達(dá)到系統(tǒng)的平均幀數(shù)須和吞吐量相等,P為數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功的概率。相關(guān)公式如下:

S=G×P

(4)

2 基于2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)的智能藥品配發(fā)系統(tǒng)評(píng)測(cè)

2.1 智能藥品配發(fā)系統(tǒng)的通信評(píng)測(cè)

基于2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù),智能藥框可滿(mǎn)足信息綁定與查找要求。其中,等待查找環(huán)節(jié)對(duì)無(wú)線通信距離的要求相對(duì)較高,可選擇在空曠的環(huán)境下進(jìn)行評(píng)測(cè)。選取某附屬醫(yī)院大廣場(chǎng)為評(píng)測(cè)地點(diǎn),把智能藥框和處方綁定之后,設(shè)置其為等待查找的狀態(tài),評(píng)測(cè)人員拿著智能藥框慢慢離開(kāi)電腦,其他評(píng)測(cè)人員在電腦上輸入藥框地址,點(diǎn)擊上位機(jī)軟件的“查找”按鈕,人員通過(guò)觀察智能藥框指示燈是否亮,記錄下最大通信距離。通過(guò)試驗(yàn),智能藥框和上位機(jī)的最大通信距離為74 m,如表1所示。

表1 通信距離測(cè)評(píng)

2.2 智能藥品配發(fā)系統(tǒng)的能耗評(píng)測(cè)

人員在智能藥框的過(guò)程中,還必須重視能耗方面的問(wèn)題。設(shè)V1為待測(cè)電阻電壓,把10電阻串聯(lián)至智能藥框中,通過(guò)示波器測(cè)量電阻的電壓波形。相關(guān)公式如下:

(5)

以此人員對(duì)智能藥框在各個(gè)狀態(tài)下的電流消耗進(jìn)行估算,其中i表示電阻兩端的電壓波形,V為電壓,R為電阻。測(cè)評(píng)智能藥框處在狀態(tài)1時(shí),表示等待配藥綁定,此時(shí)的下一個(gè)周期處于4 s的間歇狀態(tài)。此狀態(tài)下智能藥框所處的運(yùn)行模式時(shí)間為400 m/s,不考慮尖端脈沖因素,電壓最大值約125 mV,待機(jī)模式的時(shí)間約3 s,電壓最大值約6 mV。關(guān)于狀態(tài)1“等待配藥綁定”的平均電流消耗相關(guān)公式如下:

(6)

在測(cè)評(píng)狀態(tài)2時(shí),智能藥框處于“等待查找”狀態(tài)。通過(guò)人員的分析,此狀態(tài)下一個(gè)周期為4 s,智能藥框依舊采用間歇運(yùn)行模式,運(yùn)行時(shí)間約60.32 m/s。在運(yùn)行狀態(tài)下,智能藥框狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間為54 m/s,電壓約120 mV,待機(jī)工作方式下的電壓值為7 mV。關(guān)于狀態(tài)2“等待查找”的平均電流消耗相關(guān)公式如下:

(7)

按照市場(chǎng)調(diào)查的情況,可供使用電池的總?cè)萘繛? 977 mAh。在患者在平臺(tái)上完成繳費(fèi)以后,藥房服務(wù)器就會(huì)收到信息,藥框迅速響應(yīng),等待配藥[3]。采用文獻(xiàn)查閱法。例如,在某地區(qū)的總醫(yī)院自動(dòng)化藥房處方配藥的時(shí)間為2 min,診室分布在4樓,距離藥房約380～460 m,平均每天可調(diào)配5 000個(gè)處方。如果患者完成平臺(tái)繳費(fèi),到藥房取藥,智能藥框配藥設(shè)置的時(shí)間為6 s,配藥最多需要2 min,設(shè)患者到藥房的時(shí)間為5.6 min。因此,藥框等患者取藥的時(shí)間為5.6-2=3.6 min。若平均每天每個(gè)藥框使用25次,那么平均每天每個(gè)智能藥框處于“等待查找”狀態(tài)的時(shí)間如下:

t2=25×2.2=48.4 min

(8)

由此,每個(gè)智能藥框每天的電池容量消耗如下:

W=0.78 h×1.5 mA+23.6 h×2.2 mA=53.09 mAh

(9)

通過(guò)估算,從配藥前等待藥框綁定至患者取藥結(jié)束共耗費(fèi)5.4 min,基本滿(mǎn)足智能藥品配發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,本文以2.4 GHz無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了智能藥品配發(fā)系統(tǒng),采用了STM32的核心元件,由智能藥框硬件、系統(tǒng)軟件、上位機(jī)等軟件模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)屬于一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信,進(jìn)行了通信防碰撞測(cè)試與分析,設(shè)計(jì)了智能藥品配發(fā)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),最后評(píng)測(cè)了整個(gè)智能藥品配發(fā)系統(tǒng),結(jié)果表明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足相應(yīng)功能的需求。