基于Z-wave无线通信技术的网络泵开发

龚江涛（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）

基于Z-wave无线通信技术的网络泵开发

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）

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。

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。

图1　系统架构图

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。

图2　数据传输

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。

图3　网络泵开发系统硬件模型

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。

图4　网络泵电路图

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。

图5　网络泵程序流程图

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。

图6　网络泵网状网络结构

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。

图7　注药泵集中管理系统软件界面

当有某网络泵要加入网络时，点击增加节点，这个网络泵就会自动加入网络，主控制器将给它分配与这个网络相同的HOME.ID，并同时拥有不同且依序的NODE.ID。

5　网络泵系统分析

本系统把 Z-wave用于智能家居设计的方案，根据其特点和优势用于无线医药设备通信系统中，开发出网络泵无线通信系统。本系统具有以下特色和创新：

（1）对医院里比较分散的注药泵采用了 Z-wave的组网方式，组网简单、快捷。

（2）由于协议的紧凑降低了整个系统的功耗。

（3）把智能家居中的Z-wave技术的应用扩展到了医院的注药泵的无线通信系统，充分发挥了Z-wave的技术特点。

6　结论

本文采用无线传感器网络技术、Z-wave技术、传感器技术、嵌入式技术和计算机技术设计了网络泵无线通信系统。该系统将医院的注药泵无线化、网络化、智能化。同时该系统成本低、功耗低、信息传输可靠性强，非常适合医院注药泵系统的无线管理，具有较好的经济效益。

［1］纪洪新，赵淑红，杜明艾.PICC联合微电脑自动注药泵持续化疗的护理［J］.齐鲁护理杂志，2009，15（23）：56-58.

［2］董大鹏，唐晓英，刘伟峰，等.无线传感器网络技术在医疗监护中的应用［J］.电子技术应用，2008，34（10）：29-31.

［3］滕志军，屈银龙，赵雷.ZigBee在病房护理呼叫系统中的应用研究［J］.电子技术应用，2011，37（11）：52-57.

［4］蒋建平，陈辉.降低ZigBee网络能耗的路由安全算法［J］.电子技术应用，2012，38（7）：140-143.

［5］孙锦中.基于CC2420的ZigBee通信节点的设计与实现［J］.微型机与应用，2010，29（19）：22-27.

［6］彭建华，王新.ZigBee与 Z-Wave通信技术比较研究［J］.山西电子技术，2012（4）：62-64

［7］李杰，陈曦.无线传感器网络随机调度算法研究［J］.计算机应用，2011，31（3）：594-597.

［8］徐小涛，黄旭林，朱学维.Z-Wave近距离无线通信技术的应用研究［J］.信息技术与标准化，2008（10）：34-36.

［9］张勇，卢志强，王小荣.Z-Wave无线通信技术在智能家居中的应用［J］.智能建筑电气技术，2010，4（2）：57-58.

［10］满莎，杨恢先.基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计［J］.计算机应用，2010，30（9）：2541-2544.

The design of network pump based on Z-wave

Gong Jiangtao1，2
（1.College of Information Science and Technology，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.Hunan Railway Professional Technology College，Zhuzhou 412001，China）

This paper designed a wireless communication system of network pump based on Z-wave.Taking medication pumps sensor and ZM3102 module as the core，the characteristics and design method of network pump system are discussed from the structure of network pump system，software and hardware，network protocol，networking.Finally，through testing，the reliability of communication and network simplicity are verified.The system can commonly used to hospital medical treatment.It can provide an intelligence，convenient environment.

Z-wave；network pump；wireless communication

TN92

A

1674-7720（2015）05-0054-03

（2014-11-03）

龚江涛（1981-），男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：无线通信技术、数字通信系统。