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基于Z-wave無線通信技術的網絡泵開發

2015年微型機與應用第5期

龔江濤1，2

（1.成都理工大學信息科學與技術學院，四川成都 610059； 2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲 412001）

摘要： 設計了一套基于Z-wave的網絡泵無線通信系統。系統以注藥泵傳感器和ZM3102模組為核心，從網絡泵無線通信系統的體系結構、軟硬件、網絡協議、組網等方面闡述了網絡泵系統的特點和設計方法。最后經過測試，驗證了系統通信的可靠性和組網的簡易性。該系統可以普遍用于醫療醫院，可為醫院提供一個智能、方便的環境。

關鍵詞： Z-Wave 網絡泵無線通信

Abstract：

Key words :

　　摘要：設計了一套基于Z-wave的網絡泵無線通信系統。系統以注藥泵傳感器和ZM3102模組為核心，從網絡泵無線通信系統的體系結構、軟硬件、網絡協議、組網等方面闡述了網絡泵系統的特點和設計方法。最后經過測試，驗證了系統通信的可靠性和組網的簡易性。該系統可以普遍用于醫療醫院，可為醫院提供一個智能、方便的環境。

　　關鍵詞： Z-wave；網絡泵；無線通信

0 引言

　　在醫院的許多臨床應用中，需要對病人進行靜脈持續給藥，如癌癥化療、術后鎮痛麻醉等。一般是采用傳統的靜態方式，讓病人持續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。隨著科學技術的發展，出現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需要醫護人員人為記憶，容易出現偏差[1]。

　　近年來無線傳感器網絡發展迅速，其在醫療領域的應用也越來越廣[2-3]。基于此，人們假想把醫院里的微電腦便攜式注藥泵組成無線網絡系統，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，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。該系統可以完成對注藥泵運行數據的采集和狀態的更新，然后無線傳輸到監控PC。測試結果表明，該系統可行且組網簡易。

1 系統架構設計

　　本系統使用基于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架構如圖1所示。

　　整個系統由網絡泵節點、Z-stick和PC機三部分組成，其中節點是網絡泵，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護PC上，增強對網絡內所有網絡泵節點的控制。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點多達到232個，還可通過組網擴充更多的節點。可以根據醫院的需要，靈活調節網絡泵無線通信系統的大小。

2 系統實現

　　本系統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微處理器開發板為基礎構建開發。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送。RF天線具有優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，增加了系統的可靠性[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網絡中，網絡泵節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。

　　這里的有限狀態機包括四個狀態，分別為空閑、幀解析、串行發送、校驗。當有信息需要發送時空閑狀態就轉為校驗狀態，當接收到信息時，就轉為幀解析狀態，如果沒有任何操作，則維持空閑狀態。如果請求無響應，幀解析狀態就轉為空閑狀態；如果有響應，發送解析狀態就轉為串行發送狀態。

　　2.3 網絡泵管理系統軟件設計

　　網絡泵的軟件設計是在Zensys提供的動態鏈接庫（Dynamically Linked Library， DLL）基礎上進行的。微電腦注藥泵集中管理系統軟件主要由4部分組成：節點操作、實時監控、歷史信息采集、報警。

　　（1）節點操作主要負責網絡泵的加入或移除。

　　（2）實時監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PC機與網絡泵接收和發送信息的通信。

　　（3）歷史信息采集主要對歷史網絡泵狀態信息的讀取。

　　（4）報警主要用于網絡泵出現異常狀況，不能正常運行時。

　　該管理系統軟件完成了對網絡泵節點的操作，并通過Z-wave USB適配器與網絡泵節點通信；對采集的狀態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是雙向通信系統，可以發送命令進行控制，但醫藥設備一般不采用控制，只是發送命令讀取數據狀態來保證網絡泵的應用安全。

3 網絡協議與組網的實現

　　3.1 網絡協議

　　本系統無線傳輸網絡采用Z-wave無線傳輸協議，相對于其他無線通信標準而言，Z-wave協議棧更為緊湊、簡單和靈活。

　　Z-wave協議棧包括應用層（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。協議的主要功能：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；配置應用休眠的節能模式。當有節點進行數據傳送時，MAC層有一個沖突避免機制防止其他節點開始傳送。

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

　　3.2 網絡泵系統組網

　　根據系統構建的需要，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軟件上的節點操作，把網絡泵添加進網絡系統，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網絡的優點，采用了動態的路由協議，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，非常適合醫院網絡泵組網的需要[9-10]。

　　在本系統規劃中，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數據，實時了解泵的狀態。

4 性能測試

　　4.1 通信節點測試

　　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）來表示網絡泵節點通信間的可靠性。假定在一個網絡泵無線通信系統中，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軟件，可以方便地進行組網測試，軟件界面如圖7所示。