基于CAN總線和無線技術(shù)的輸液網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：為實現(xiàn)大中型醫(yī)院靜脈輸液網(wǎng)絡(luò)化與智能化，設(shè)計了一種利用CAN總線和無線技術(shù)的輸液監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括執(zhí)行機節(jié)點、CAN總線網(wǎng)絡(luò)、主節(jié)點、無線數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)、控制主機等。無線通信模塊采用2．4 G的nRF2401通信芯片，而CAN總線通信模塊采用SJA1000和PCA82C25 0，通過單片機控制，實現(xiàn)與其他節(jié)點通信。試驗表明所設(shè)計的CAN總線和無線通信系統(tǒng)均能正常工作，數(shù)據(jù)傳輸錯誤率為0％。
關(guān)鍵詞：CAN總線；無線技術(shù)；輸液監(jiān)控；nRF2401；SJA1000

    據(jù)調(diào)查，目前在我國的大、中、小型醫(yī)院及下屬社區(qū)衛(wèi)生院、診所等醫(yī)療機構(gòu)的輸液速度和輸液量幾乎都是不精確的值，憑肉眼觀察來估計輸液速度。輸液速度是護士通過轉(zhuǎn)動輸液器上的手動滑輪來控制的，輸液量也是護士用只有兩個標(biāo)記的液體瓶傾倒后估計的。利用人工監(jiān)視輸液情況，給病人和醫(yī)務(wù)人員帶來許多不便。隨著無線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，為輸液采用無線、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控帶來了便利條件。目前已有一些相關(guān)輸液的研究成果，實現(xiàn)了輸液監(jiān)視、控制、報警等功能，但主要是單臺設(shè)備獨立使用，未能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。文獻設(shè)計了一種基于RS485總線的輸液網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控系統(tǒng)，但采用RS485總線和有線監(jiān)控在許多方面存在不足。由于CAN總線和無線技術(shù)在各個方面得到普遍應(yīng)用，為此，本文采用CAN總線和無線技術(shù)構(gòu)建一個新的網(wǎng)絡(luò)化、多功能輸液集中監(jiān)控系統(tǒng)，以滿足醫(yī)院需要。

1 總體框架設(shè)計
    根據(jù)設(shè)計要求。系統(tǒng)由1個主控機和N個CAN節(jié)點執(zhí)行機組成，它們都掛接在雙絞線上，組成一個CAN總線通信局部通信網(wǎng)絡(luò)，CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中的主控機安裝無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF2401。與另一個中心控制主機組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是實現(xiàn)CAN總線內(nèi)部局域網(wǎng)通信以及無線通信網(wǎng)絡(luò)的通信。其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 CAN總線結(jié)構(gòu)
2．1 主控節(jié)點設(shè)計
    CAN總線主控機系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)、CAN總線通信接口、人機接口、點滴速度傳感器和串口通信下載模塊及無線通信模塊組成。CAN總線通信接口通過雙絞線收發(fā)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與執(zhí)行機的連通。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主控機負(fù)責(zé)與無線通信網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，同時也是CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點，在整個系統(tǒng)中起著主導(dǎo)作用，無線通信模塊采用2．4 G的nRF2401通信芯片，而CAN總線通信模塊采用SJA1000和PCA82C 250，通過單片機控制，實現(xiàn)與其他節(jié)點通信。其他從節(jié)點除了沒有無線收發(fā)模塊以外，其他部分與主控機完全相同。

2．2 CAN通信模塊設(shè)計
    CAN通信模塊是本設(shè)計的核心，它負(fù)責(zé)系統(tǒng)中主控機和執(zhí)行器之間的數(shù)據(jù)通信。單個CAN總線節(jié)點由單片機、CAN總線控制器、高速光電耦合器及總線驅(qū)動器組成，可編程控制。故稱之為智能節(jié)點。設(shè)計中CAN通信模塊采用了獨立式的CAN控制器，數(shù)據(jù)通過對控制器編程寫入控制器芯片的發(fā)送緩沖區(qū)里發(fā)送出去，目的節(jié)點則負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)接收到數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)里，再通過CAN總線接口和單片機之間的數(shù)據(jù)總線，傳遞給單片機進行處理。設(shè)計方案如圖3所示。

3 無線收發(fā)模塊
    無線收發(fā)模塊采用nRF2401芯片，該芯片具有內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要很少的外圍元件，使用非常方便。硬件電路連接實現(xiàn)單片機與nRF2401芯片的接口連接。發(fā)送端與接收端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可以實現(xiàn)半雙工通信。單片機使用的是STC89C52，成本低，控制簡單，容易擴展。硬件電路如圖4所示。

    需要注意的是，nRF2401的供電電壓范圍為1．9～3．6 V，但引腳可直接收單片機5 V的I／O口相聯(lián)。為了使nRF2401更好地工作，最好進行分壓處理。

4 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
    根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)實現(xiàn)功能及軟件總體設(shè)計如圖5所示。系統(tǒng)包含兩大部分，無線服務(wù)終端和CAN總線通信系統(tǒng)。無線服務(wù)終端由nRF2 401和STC89C52組成，可以向CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點發(fā)送和讀取數(shù)據(jù)。CAN總線通信系統(tǒng)，由3個節(jié)點組成，一個節(jié)點上接無線收發(fā)器nRF2401負(fù)責(zé)與無線終端系統(tǒng)通信，另外2個節(jié)點由圖5所示的單片機CAN總線收發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成。

    無線服務(wù)終端主要起中心控制主機的作用，通過無線模塊將指令發(fā)送到CAN總線無線接收控制中心，并接收該控制中心檢測數(shù)據(jù)，顯示到服務(wù)終端液晶模塊中。指令信號可通過按鍵進行設(shè)置，其主程序流程圖如圖6所示。

    CAN總線無線接收控制中心的主要作用是將節(jié)點的數(shù)據(jù)由CAN總線通信上傳到控制中心，再通過無線發(fā)送到服務(wù)終端，并接收服務(wù)終端的指令，通過CAN總線通信下傳到相應(yīng)節(jié)點，CAN總線中心控制軟件流程如圖7所示，CAN總線通信、無線通信、節(jié)點程序流程和其他子程序流程在此不詳解。

    完成所有軟、硬件后，對CAN總線內(nèi)部局域網(wǎng)通信、無線收發(fā)系統(tǒng)通信、CAN總線與無線收發(fā)系統(tǒng)相互通信3部分進行測試，測試內(nèi)容主要有：CAN總線局域網(wǎng)內(nèi)部各節(jié)點自發(fā)自收、相互收發(fā)、一對多發(fā)送和多對一發(fā)送；無線終端與CAN總線之間相互收發(fā)；單節(jié)點與中心控制主機的收發(fā)數(shù)據(jù)。以上每項測量發(fā)送10個字節(jié)，所有結(jié)果顯示正確，各部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸正確，報錯率為0％。

5 結(jié)論
    本論文根據(jù)中大型醫(yī)院的需要，針對現(xiàn)有靜脈輸液監(jiān)測技術(shù)，提出了一種CAN總線和無線技術(shù)的輸液網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計并制作了CAN總線節(jié)點及通信模塊、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，并為系統(tǒng)開發(fā)了配套的軟件。完成了CAN總線內(nèi)部局域網(wǎng)通信、無線收發(fā)系統(tǒng)通信、CAN總線與無線收系統(tǒng)相互通信，試驗表明，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸與收發(fā)正常，錯誤率為0％。