溫略欽 李艷 葉濤 朱學(xué)峰

1 引言

隨著社會(huì)對(duì)醫(yī)院現(xiàn)代化醫(yī)療要求的不斷提高，自動(dòng)化與信息化的醫(yī)療設(shè)備及管理體系受到了更多的關(guān)注?，F(xiàn)階段，醫(yī)院在資金、物流等管理領(lǐng)域已經(jīng)普及了信息化管理體系，在掃描、內(nèi)窺等診斷領(lǐng)域亦普及了信息化醫(yī)療設(shè)備。但是在醫(yī)療輔助方面，例如靜脈輸液，依然以人力管理為主。靜脈輸液雖操作簡(jiǎn)單，但也因沒(méi)有高效的輔助工具而耗費(fèi)了醫(yī)院大量的人力資源。因此，設(shè)計(jì)出一套準(zhǔn)確、有效的輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

本文首先簡(jiǎn)述輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，在第3部分簡(jiǎn)述無(wú)線終端的目標(biāo)功能及程序流程，并討論終端滴速檢測(cè)、報(bào)警判斷和基于CC2510的2.4GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的程序設(shè)計(jì)方法。最后，通過(guò)實(shí)測(cè)證明設(shè)計(jì)是有效的。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

系統(tǒng)由上位機(jī)(PC)、數(shù)據(jù)中心(Access Point，AP)及多臺(tái)無(wú)線終端(Wireless End-Device，WED)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 無(wú)線輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

無(wú)線終端 WED準(zhǔn)確、及時(shí)地檢測(cè)輸液速度并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)中心 AP發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障或意外時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并向AP發(fā)送報(bào)警信息。AP接收多臺(tái)WED的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并上傳給上位機(jī)PC。PC為醫(yī)護(hù)人員提供了一個(gè)集成監(jiān)控的環(huán)境，從集成監(jiān)控界面中，醫(yī)護(hù)人員可以查看就醫(yī)人員信息、輸液速度等，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息。

檢測(cè)輸液速度是本系統(tǒng)的基本功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本文采用的對(duì)射型紅外傳感器能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)液滴速度。液滴會(huì)影響紅外傳感器對(duì)射的紅外線，使傳感器引腳電平發(fā)生變化。使用電壓比較器處理變化的電平信號(hào)，可輸出能被控制器所識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)[1]。

CC2510單片機(jī)在具備增強(qiáng)型 8051核心的基礎(chǔ)上，集成了2.4GHz射頻通訊功能。可保證多臺(tái)WED工作情況下的通信速度[2,3]。利用CC2510能夠輕松構(gòu)建具備2.4GHz射頻網(wǎng)絡(luò)通訊能力的AP與WED。

3 無(wú)線終端WED程序設(shè)計(jì)

3.1 整體軟件架構(gòu)

WED的總體程序架構(gòu)如圖2所示。WED的固件程序由滴速檢測(cè)、報(bào)警判斷、數(shù)據(jù)打包和數(shù)據(jù)發(fā)送幾個(gè)部分組成。

3.2 滴速檢測(cè)程序

滴速檢測(cè)程序的目的是實(shí)時(shí)地檢測(cè)出輸液速度，為后續(xù)的報(bào)警判斷、數(shù)據(jù)打包和傳送提供原始數(shù)據(jù)。對(duì)射型紅外傳感器及電壓比較器組成的硬件電路將為控制器提供標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)[4]。

圖2 WED的總體程序架構(gòu)

CC2510帶有一個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器Timer1和兩個(gè)8位計(jì)時(shí)器Timer3/4。選用16位Timer1，并將液滴脈沖以外部中斷形式接入 MCU，可得到最精確的液滴間隔計(jì)數(shù)值D。設(shè)Timer1計(jì)數(shù)頻率為f，通過(guò)式(1)可得到液滴間隔時(shí)長(zhǎng)t，單位為秒(s)。

Timer1的計(jì)數(shù)頻率f由系統(tǒng)時(shí)鐘fSYS和分頻因數(shù)N決定。

本程序期望得到每分鐘的滴液次數(shù)，即滴速v，單位為滴每分鐘，所以有

綜合以上各式，可得滴速的計(jì)算公式

單位為滴每分鐘。

CC2510支持高達(dá)26MHz的晶振，分頻因數(shù)N可在1、8、32或128中選擇。N的確定需要在相應(yīng)寄存器設(shè)置。選定N之后，公式簡(jiǎn)化為

即使選擇128分頻，f也高達(dá)203125，需要存放于一個(gè) longint型變量中。編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)當(dāng)注意各個(gè)變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型，防止運(yùn)算錯(cuò)誤。

3.3 報(bào)警判斷程序

WED開(kāi)始工作時(shí)將從AP獲取當(dāng)前輸液過(guò)程的相關(guān)信息，包括允許的最高及最低輸液速度。報(bào)警判斷程序?qū)⑴袛嗟嗡贆z測(cè)程序輸出的每個(gè)速度值，當(dāng)?shù)嗡僭较蓿ㄟ^(guò)高或過(guò)低）時(shí)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并在數(shù)據(jù)包中加入報(bào)警信息。用程序表示如下：

if(V>>Vmax||V<

alarm();

其中alarm()子程序管理聲光報(bào)警，并選擇需要上傳的命令碼類(lèi)型，見(jiàn)表2。該子程序應(yīng)根據(jù)硬件具體編寫(xiě)，在此不再贅述。

3.4 數(shù)據(jù)打包程序

數(shù)據(jù)打包程序包含了一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議。為了保證無(wú)線通信的質(zhì)量，本文在CC2510具備的硬件通信協(xié)議基礎(chǔ)上，另外制定了可滿足使用需求的通信協(xié)議。由于本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有通信量較小、使用環(huán)境較復(fù)雜、活動(dòng)性高等特點(diǎn)，本文所制定的協(xié)議應(yīng)具備以下特點(diǎn)：簡(jiǎn)易、封裝成幀、差錯(cuò)檢測(cè)、固定的傳輸格式和透明性。

根據(jù)此需求，本文制定的無(wú)線通信協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式如表1所示[5]，每單元格表示一個(gè)字節(jié)。

表1 無(wú)線通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

各字段的作用如下：

起始碼：標(biāo)志數(shù)據(jù)包合法開(kāi)端。

地址碼：標(biāo)志數(shù)據(jù)包來(lái)源WED。

命令碼：WED判斷所得的處理方法。

數(shù)據(jù)段：存放滴速和報(bào)警信息等數(shù)據(jù)。

校驗(yàn)碼：校驗(yàn)數(shù)據(jù)包有效性。

結(jié)束碼：標(biāo)志數(shù)據(jù)包合法結(jié)尾。

校驗(yàn)時(shí)取數(shù)據(jù)包前六個(gè)字節(jié)進(jìn)行異或，即

設(shè)定命令碼的目的在于減少 AP的工作強(qiáng)度。WED在報(bào)警判斷程序中為當(dāng)前數(shù)據(jù)判斷出恰當(dāng)處理方案，AP只需要根據(jù)命令碼做出相應(yīng)的處理。這使AP不需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步分析，也提高了整體系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

表2 命令碼表

本文根據(jù)系統(tǒng)工作的各種狀態(tài)，使用了如表2所示的命令碼。表中命令碼在AP與WED中是通用的，其中1和3僅為AP向WED發(fā)送有效。

3.5 數(shù)據(jù)發(fā)送程序

CC2510單片機(jī)集成2.4GHz射頻收發(fā)模塊，設(shè)置相應(yīng)的寄存器就可激活射頻收發(fā)功能。關(guān)于寄存器的設(shè)置可參考相應(yīng)手冊(cè)，本文只討論組建網(wǎng)絡(luò)中 WED的程序控制。

一臺(tái)AP與多臺(tái)WED構(gòu)建成典型的星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。AP通過(guò)輪詢方式訪問(wèn)每一臺(tái)工作中的 WED。WED在開(kāi)始工作時(shí)向 AP提出申請(qǐng)，AP根據(jù)使用WED輸液病人的床號(hào)將對(duì)應(yīng)的WED地址填入動(dòng)態(tài)列表，作為輪詢依據(jù)。工作中的WED接收到AP的訪問(wèn)請(qǐng)求時(shí)，將以中斷方式調(diào)用無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送子程序。圖3是WED發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程。

圖3 WED工作程序流程圖

4 調(diào)試與測(cè)試

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)中心AP與無(wú)線終端WED的通信測(cè)試。測(cè)試時(shí)共有三臺(tái)WED及一臺(tái)AP。測(cè)試數(shù)據(jù)包出數(shù)值外，與實(shí)際應(yīng)用無(wú)異。經(jīng)過(guò)測(cè)試，三臺(tái)WED均可與主機(jī)正常通信。AP輪詢?nèi)_(tái)WED耗時(shí)約150毫秒。換算為50臺(tái)WED，查詢時(shí)間約為2.5秒。現(xiàn)場(chǎng)有障礙最大通信距離約20米，無(wú)遮擋通信距離約為50米。因此，工作環(huán)境對(duì)通信的影響比較大。

紅外檢測(cè)模塊測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，靜止或小范圍晃動(dòng)時(shí)，液滴檢測(cè)準(zhǔn)確；移動(dòng)或晃動(dòng)劇烈時(shí)，檢測(cè)則會(huì)出現(xiàn)較大誤差。

最后測(cè)試的是報(bào)警模塊。設(shè)置了報(bào)警閥值之后運(yùn)行WED，調(diào)節(jié)輸液速度，當(dāng)?shù)嗡龠^(guò)快或過(guò)慢時(shí)，WED準(zhǔn)確發(fā)出越限報(bào)警。

為了得到更進(jìn)一步數(shù)據(jù)，筆者作了總體性能測(cè)試。在開(kāi)啟紅外檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊和無(wú)線通信模塊的情況下，AP輪詢?nèi)_(tái)WED的時(shí)間延長(zhǎng)為170毫秒，其他數(shù)據(jù)及參數(shù)均無(wú)變化。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)醫(yī)院輸液治療耗費(fèi)人力資源、管理繁瑣復(fù)雜等具體情況，討論了輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線終端的程序設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)，軟件調(diào)試之后制出模型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了期望的功能。但是，通過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)在輪詢速度、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力等方面還存在一些缺點(diǎn)，若要投入實(shí)用，還需要加以研究和改進(jìn)。希望本文所討論的無(wú)線輸液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?yàn)獒t(yī)院輸液治療室的信息化管理與實(shí)時(shí)監(jiān)控提供一定的技術(shù)參考，促進(jìn)現(xiàn)代化醫(yī)療在我國(guó)的發(fā)展。

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