基于Z-wave无线通信技术的网络泵开发-AET-电子技术应用

基于Z-wave无线通信技术的网络泵开发

2015年微型机与应用第5期

龚江涛1，2

（1.成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都 610059； 2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001）

摘要： 设计了一套基于Z-wave的网络泵无线通信系统。系统以注药泵传感器和ZM3102模组为核心，从网络泵无线通信系统的体系结构、软硬件、网络协议、组网等方面阐述了网络泵系统的特点和设计方法。最后经过测试，验证了系统通信的可靠性和组网的简易性。该系统可以普遍用于医疗医院，可为医院提供一个智能、方便的环境。

关键词： Z-Wave 网络泵无线通信

Abstract：

Key words :

　　摘要：设计了一套基于Z-wave的网络泵无线通信系统。系统以注药泵传感器和ZM3102模组为核心，从网络泵无线通信系统的体系结构、软硬件、网络协议、组网等方面阐述了网络泵系统的特点和设计方法。最后经过测试，验证了系统通信的可靠性和组网的简易性。该系统可以普遍用于医疗医院，可为医院提供一个智能、方便的环境。

　　关键词： Z-wave；网络泵；无线通信

0 引言

　　在医院的许多临床应用中，需要对病人进行静脉持续给药，如癌症化疗、术后镇痛麻醉等。一般是采用传统的静态方式，让病人持续卧床或间断床边休息。这样限制了病人的活动也加重了护士的工作量。随着科学技术的发展，出现了微电脑便携式注药泵，通过微电脑控制能精确匀速给药，提高了患者持续静脉注射期间的生活质量，也减少了护士工作量。但这也存在着缺点，由于携带方便，病人活动范围扩大，使得病人位置分散，难于管理，而且对每个注药泵的状态需要医护人员人为记忆，容易出现偏差[1]。

　　近年来无线传感器网络发展迅速，其在医疗领域的应用也越来越广[2-3]。基于此，人们假想把医院里的微电脑便携式注药泵组成无线网络系统，对给药者的注药泵信息进行实时采集，从而方便查看注药泵运行状态，便于管理。有研究人员尝试将ZigBee应用于注药泵的无线传感器网络，但ZigBee组网复杂，功率消耗较高[4-6]。

　　为了克服ZigBee组网复杂和功率消耗较高的缺点，本文采用另外一种无线通信技术Z-wave，设计了一套基于Z-wave的网络泵无线通信系统。该系统可以完成对注药泵运行数据的采集和状态的更新，然后无线传输到监控PC。测试结果表明，该系统可行且组网简易。

1 系统架构设计

　　本系统使用基于Z-wave的无线传感网络技术，借鉴了Z-wave的智能家居设计研究经验，网络泵无线通信系统架构如图1所示。

　　整个系统由网络泵节点、Z-stick和PC机三部分组成，其中节点是网络泵，它是在爱普科学仪器（苏州）有限公司设计的微电脑便携式注药泵中嵌入了Z-wave无线模块而形成。Z-stick一般直接插到电脑上，是Zensys公司提供的一种自我供电的节能型Z-wave USB适配器。它可以快速地组织网络，把Z-wave命令显示到它连接的监护PC上，增强对网络内所有网络泵节点的控制。其功能是将采集到的网络泵数据通过串口转USB的方式传给PC机。图2所示为数据传输过程。

　　每个网络泵无线通信网络里的网络泵节点多达到232个，还可通过组网扩充更多的节点。可以根据医院的需要，灵活调节网络泵无线通信系统的大小。

2 系统实现

　　本系统主要包括网络泵的硬件设计、软件设计和在PC上对整个系统操作管理的软件设计。

　　2.1 网络泵的硬件设计

　　网络泵的硬件部分包括注药泵和ZM3102模组。以8 bit ATMEGA128L微处理器开发板为基础构建开发。其基本结构如图3所示。

　　网络泵的核心是ZM3102模组，ZM3102模组与注药泵通过RS232接口相连。

　　ZM3102模组的核心部分是ZW0301集成电路，其微控制器核心采用六倍速8051架构，搭配32 KB的Flash ROM以及256 KB的SRAM，SPI/UART接口。ZM3102模组的其他电路还有RF电源滤波器、去耦电路、32 MHz晶体、RF前端等。

　　网络泵硬件设计的射频部分同时考虑了868.42 MHz（欧洲及中国）、908.42 MHz（美国）的兼容，但是选频电路的参数不同，滤波器SAW也是不同的。尽量使天线远离电路，确保射频信号的有效接收和发送。RF天线具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，增加了系统的可靠性[7]。网络泵电路图如图4所示。

　　2.2 网络泵的软件设计

　　网络泵无线通信系统网络中，网络泵节点并不是时时刻刻在工作，只有在被需要时，才开启电源工作。这种工作特性降低了功耗，提高了电池的使用寿命。软件按功能分为：LCD驱动模块、通信协议模块和中断处理模块。

　　程序流程图如图5所示。

　　这里的有限状态机包括四个状态，分别为空闲、帧解析、串行发送、校验。当有信息需要发送时空闲状态就转为校验状态，当接收到信息时，就转为帧解析状态，如果没有任何操作，则维持空闲状态。如果请求无响应，帧解析状态就转为空闲状态；如果有响应，发送解析状态就转为串行发送状态。

　　2.3 网络泵管理系统软件设计

　　网络泵的软件设计是在Zensys提供的动态链接库（Dynamically Linked Library， DLL）基础上进行的。微电脑注药泵集中管理系统软件主要由4部分组成：节点操作、实时监控、历史信息采集、报警。

　　（1）节点操作主要负责网络泵的加入或移除。

　　（2）实时监控主要负责网络泵数据的采集。网络泵的信息根据定时器定时向PC传输。PC将数据进行处理后在PC上显示。应用程序实现PC机与网络泵接收和发送信息的通信。

　　（3）历史信息采集主要对历史网络泵状态信息的读取。

　　（4）报警主要用于网络泵出现异常状况，不能正常运行时。

　　该管理系统软件完成了对网络泵节点的操作，并通过Z-wave USB适配器与网络泵节点通信；对采集的状态信息进行了处理和显示；界面操作简单，主要用于实时查看。由于网络泵无线通信系统是双向通信系统，可以发送命令进行控制，但医药设备一般不采用控制，只是发送命令读取数据状态来保证网络泵的应用安全。

3 网络协议与组网的实现

　　3.1 网络协议

　　本系统无线传输网络采用Z-wave无线传输协议，相对于其他无线通信标准而言，Z-wave协议栈更为紧凑、简单和灵活。

　　Z-wave协议栈包括应用层（APP）、传输层（TRANSTER）、媒体介入控制层（MAC）和射频媒介（RF-MEDIA）[8-9]。应用层是一个快速存储器（闪存），主要是便于厂家预置他们的应用软件，用于采集网络泵的数据，查看状态。协议的主要功能：设备间无线数据链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；配置应用休眠的节能模式。当有节点进行数据传送时，MAC层有一个冲突避免机制防止其他节点开始传送。

　　这样的设计尽可能地降低了成本，易于实现，数据传输可靠，短距离操作以及非常低的功耗。

　　3.2 网络泵系统组网

　　根据系统构建的需要，网络泵网络设计为网状结构（也称“多跳”网络），如图6所示。该结构具有组网简单、通信可靠性强的特点。只需要通过微电脑注药泵集中管理系统软件上的节点操作，把网络泵添加进网络系统，就会根据需要自动生成通信路径。网络泵网络完全具有Z-wave网络的优点，采用了动态的路由协议，网络泵网状网络中，任何一个网络泵都可以作为路由器或接入点。如果最近的接入点受到信号阻断的影响，那么还可以将数据路由到另一个网络泵。数据以这种方式不断地从一个网络泵 “跳”到另一个网络泵，直到到达需要读取数据的网络泵，非常适合医院网络泵组网的需要[9-10]。

　　在本系统规划中，病人携带注药泵在距离Z-stick 100 m内的位置，PC软件都能读取网络泵的状态数据，实时了解泵的状态。

4 性能测试

　　4.1 通信节点测试

　　可靠性测试一般有3种方法，即测试比特错误率（BER），帧错误率（FER）及通信错误率（CER）。网络泵模块中一般使用通信错误率（CER）来表示网络泵节点通信间的可靠性。假定在一个网络泵无线通信系统中，给药者携带网络泵离Z-stick 30 m，通过测试可以得到，网络泵模块的通信错误率（CER）小于10-6。

　　4.2 组网测试

　　通过微电脑注药泵集中管理系统软件，可以方便地进行组网测试，软件界面如图7所示。