基于GPRS、Zigbee和RFID的医疗设备管理系统的开发

马继鹏，孔德友，刘肖肖

济宁医学院附属医院 医学装备处，山东 济宁 272000

基于GPRS、Zigbee和RFID的医疗设备管理系统的开发

马继鹏，孔德友，刘肖肖

济宁医学院附属医院 医学装备处，山东 济宁 272000

目的解决医院面临医疗设备种类多、数量大、分布广导致管理复杂的问题，设计一种医疗设备管理系统。方法系统采用嵌入式程序设计和数据库技术开发。系统由RFID标签及条码标签、终端管理节点、路由节点及手持设备、云服务器和医疗设备管理软件组成。结果系统的应用，实现了对全院部分科室1000多台设备的监测与管理，并取得了良好效果。结论该系统可用于设备的全生命期的管理，是医疗设备精细化管理的有效工具，可有效提高设备的管理效率。

医疗设备管理系统；云服务器；RFID标签；条码标签；温湿度传感器

引言

目前，我院医疗设备近5000台，种类150多种，科室近100个，各部门之间设备借用、调配混乱，给临床科室和医学工程人员的管理工作带来了挑战。为此，本研究设计一种医疗设备管理系统，实现对设备的有效管理。

1 系统总体设计

该系统总体设计包括RFID标签、条码标签、终端节点、路由节点、手持设备、云服务器和医疗设备管理软件[1]。系统总体设计框图，见图1。

（1）RFID标签存储设备的基础信息，包括：设备名称、购置日期、注册证号、保修年限等；条形码标签提供了设备的可视标识，内容包括科室名称、设备名称和8位的条码编号。

（2）终端管理节点作用：一是检测特殊设备的环境温湿度信息，并具有烟雾报警功能；二是授权部分设备使用，只有插上该设备的射频识别卡时终端控制继电器才闭合，导通电源授权工作。

（3）路由节点：实现无线通信模块（Zigbee）网络的中继功能。

（4）手持设备：其功能包括终端节点的数据收集、无线射频标签识别、条形码标签识别和远程传输。

（5）云服务器：是存储设备信息的数据库。

（6）医疗设备管理软件：通过此软件可以实现对医疗设备的申购、论证、招标、采购、验收、质控、培训、维修、维护、效益分析、报废等管理过程。

图1 系统总体设计框图

2 系统硬件设计

系统硬件由手持设备和终端节点组成，手持设备由巡查人员携带使用，终端节点放置于各护理单元。

2.1 手持设备

手持设备组成结构图，见图2。

图2 手持设备组成结构图

图中主控电路采用适合手持设备开发的STM32F4系列单片机。电池采用可充电的大容量锂电池，电路具有电池短路保护、电池容量检测、充电指示功能。

显示采用T12864C063A 2.5寸单色、12864图形点阵LCD显示屏。

射频识别采用MFRC522芯片（NXP公司生产），具有低电压、低成本、小体积的特点，它与主机间的通信采用SPI串口通信[2]。

GPRS无线模块采用A8500芯片，具有体积小、功耗低、信号接收灵敏度高、AT指令简单的特点，微控制器通过AT指令对网络进行配置[3]。

Zigbee模块采用TI的CC2530芯片和协议栈，接收灵敏度高，发射强度可编程，低功耗模式，可无缝实现休眠功能，Zigbee模块与微控制器采用RS232通信接口[4]。

红外扫描模块采用DL-X720一维CCD条码扫描模组，通信接口采用RS232。

按键采用矩阵键盘，有GPRS、RFID、Zigbee、红外扫码功能按键。

2.2 终端节点

终端节点组成结构图，见图3。

图3 终端节点组成结构图

图中节点以CC2530为处理器，内部增强型8051内核，TI协议栈，在其应用层添加代码对温湿度传感器和烟雾传感器进行数据采集和处理。

RFID模块读取电子卡，如果读取的信息正确就控制继电器闭合授权设备使用。

电源转换电路把220 V交流电通过隔离开关电源降压至12 V DC，再通过两片DC-DC开关电源芯片LM2596分别降压至正负5 V给各模块供电。

SHT10为高精度温湿度传感器，与模块通过自定义串口协议进行通信。

烟雾传感器采用MQ-2烟雾气敏传感器模块，输出为模拟信号，信号经模拟放大电路处理后输入CC2530的ADC引脚端，进行模数转换采集，算法采集50个数字样本并取中值作为有效值，然后再根据此数值通过查表法得到相关烟雾浓度数值[5]。

2.3 电路设计注意事项

手持设备必须保证低功耗特性。在设计时，一是采用超低功耗芯片，如主控芯片要具有休眠、睡眠模式，电源芯片的静态电流要nA级；二是采用逻辑控制，对于各模块供电需通过开关管控制，在休眠前主控芯片配置相应管脚进入高阻抗输入模式，并切断相应模块供电电源，避免各模块静态电流损耗。

无线模块在信号质量差时，功耗增大，为了保持供电电压稳定，采用2个470 μF钽电容并联，在印刷线路板（Printed Circuit Board，PCB）布局布线时，优先保证模块的电源走线宽度和最短距离，保证天线的辐射空间，天线位置的PCB板正反面要无器件、走线和覆铜。

电容紧挨单片机电源接口，防止电压突变引起单片机重启动，并设置硬件看门狗，防止程序进入死循环。

2.4 射频识别标签和条形码标签

本系统采用射频识别标签和条形码标签共存的方式对设备进行标示管理。射频识别的优势在于信息卡内存储，信息准确、存储量大、安全性高，读写次数达到10万次，数据保存10年以上；缺点在于成本稍高，很多设备表面是金属的，不能贴，只能悬挂。条形码标签的优点在于成本低，方便粘贴；缺点在于容易被污染和磨损，本身不能存储信息，需要连接数据库查询信息[6]。

图4 医疗设备管理软件模块组成图

在实际应用中，对大中型设备主要采用射频识别的方式标记，对小型设备主要采用条形码标签的形式进行标记，对金属外壳不宜粘贴RFID标签的设备采用悬挂射频识别卡的方式。

3 系统软件设计

3.1 医疗设备管理软件

设备管理软件根据医学装备处需求由信息中心负责委托软件公司开发完成。

医学装备处的客户端完成设备全生命周期管理，在设备管理中可以打印设备的RFID标签和条形码标签，具体软件模块设计，见图4。

软件模块分为临床客户端和医学装备处客户端两种，负责设备申购前期的申请书的提交、设备的一级维护记录、软件报修记录，设备台账查询[7]。

3.2 手持设备系统任务

STM32F4系列单片机支持ucos-II操作系统，ucos-II多任务管理功能强大，内核精简，开发开源，具有较好的实时性，稳定性和可移植性。手持设备系统任务，见图5。

图5 手持设备系统任务图

系统要实现查询GPRS网络、按键检测、液晶显示、射频采集、Zigbee串口检测、GPRS发送和接收任务。主任务完成对系统的串口、I/O口、RTC时钟、液晶、SD卡等初始化并加载GUI界面。任务划分要求每个任务相对独立，又要保证系统的效率，避免因任务划分过细造成任务频繁调度[8]。优先级从左向右依次递减。

3.3 任务间的通信设计

邮箱、消息队列和信号量是ucos-Ⅱ操作系统任务间通信的三种方式，并提供了相应的操作函数。在该系统参数传递中采用消息队列来接收采集任务和发送数据任务传来的信息，以决定是否通过GPRS发送数据和采集RFID芯片信息，无信息时释放CPU控制。

系统采用全局变量在不同任务和函数中进行参数的传递。创建了4个邮箱，分别为：① IRFD_Revice_Mbox，用于接收从射频芯片采集数据；② GPRS_Revice_Mbox，用于存储从GPRS 返回的数据；③ Button_Touch_Mbox，用于接收触按键反馈回来的数据；④ Zigbee_Revice_Mbox，用于接收来自Zigbee模块的数据。

3.4 设备管理终端节点入网流程和GPRS入网发送数据流程

手持设备打开Zigbee功能时，程序初始化并运行协调器协议栈程序，开始组网，并等待终端节点加入；终端节点初始化并运行终端节点协议栈程序，不停的发出入网申请，当被巡检设备的协调器节点接收后入网成功并发送采集的数据信息至协调器节点[9]；协调器节点再通过GPRS网络上传服务器。终端节点入网流程图，见图6。

图6 终端节点入网流程图

GPRS上电后自动寻找网络并返回数值，通过AT指令配置传输协议为UDP模式，并连接远端公网IP的服务器，连接成功后配置发送为透传模式，任务是等待数据到来并发送。信号网络差可能导致数据丢包问题，如果服务器未接收到数据，则不反馈握手信息，如果接收的数据是错误的则反馈相应的握手信息，对丢包的数据设备需检测网络并决定是否重新发送数据，在任务中定时查询与服务器的连接状态，如断开则重新连接服务器[10-12]。GPRS入网发送数据流程图，见图7。

图7 GPRS入网发送数据流程图

4 系统使用情况

目前该系统已在29个科室试用运行，条形编码已经覆盖医院1000多台万元以上设备，并在超声科、血液透析科、重症医学科，放射科的近100台大中型设备采用了RFID标识。终端节点环境监测功能在超声科进行了试运行，并取得较好效果[13-16]。如在超声科使用手持设备上传管理终端采集数据至服务器，再通过管理软件查看记录信息的情况（图8）。

图8 医疗设备管理软件应用图

5 总结与展望

本文重点介绍了手持终端的软硬件设计开发，系统得到了实际应用并取得较好效果。但是在实际应用中仍然存在着很多问题：① Zigbee模块发射的是2.4 GHz的无线信号，穿透能力比较差，很容易被遮挡衰减，在医院室内布网效果并不好；② 管理节点的授权使用功能，受制于继电器的参数，只能针对中小功率的医疗设备；③ 设备管理应用软件公司在交付科室时缺乏足够的软件测试，软件稳定性差，偶尔会出现软件程序死锁现象。

针对上述情况，在后续的工作中继续研究，争取早日解决此类问题，使得系统在全院范围内能够推广使用，促进医院的信息化建设，提高医疗设备管理工作的效率。

[1] 周闻博.基于射频识别技术的医疗设备管理系统的开发与应用[J].中国医学装备,2012,(3):24-26.

[2] 赵旭东,陈名鑫,张文威.基于放射识别技术的医疗设备管理系统设计[J].华南国防医学杂志,2016,30(6):396-397.

[3] 吴叶兰,何向飞.基于GPRS的供水管网无线监控管理系统[J].计算机工程与设计,2010,31(1):19.

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[7] 李涛,阎宗海,元追.智能化医疗设备管理系统的应用[J].中国医疗设备,2016,31(6):133.

[8] 周荣华,左国才.基于ucos-II的数字电能表计量软件系统[J].计算机系统应用,2013,22(7):144-147.

[9] 吴芳,刘亚利,马昌喜.基于GPRS的危险货物仓储环境实时监测系统[J].北京理工大学学报,2013,33(8):87-89.

[10] 李新春,左国才,许驰.基于Zigbee的有源RFID在智能仓储中的应用[J].仪表技术与传感器,2013,(7):58-60.

[11] 吴小玉,蔡振江,吕长飞,等.基于ZigBee标准的有源RFID系统低压差稳压器研究[J].数字技术与应用,2012,(2):67-68.

[12] 李新春,于永鑫.远距离有源RFID系统[J].计算机系统应用, 2011,20(11):178-180.

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[14] 文湘欣.UHF RFID系统标签定位算法研究[D].成都:西华大学,2013.

[15] 徐辉霞.基于UHF RFID的室内定位研究与应用[D].成都:电子科技大学,2013.

[16] 唐伟.基于RFID的室内定位系统和干扰抑制的研究和设计[D].兰州:兰州交通大学,2014.

本文编辑 韩淑英

Development of Medical Equipment Management System Based on GPRS, Zigbee and RFID

MA Ji-peng, KONG De-you, LIU Xiao-xiao
Department of Medical Equipment, Affiliated Hospital of Jining Medical College, Jining Shandong 272000, China

s:ObjectiveTo design a medical equipment management system to solve the problem of the complex management for multiple types, large quantity and wide distribution of medical equipment in hospital.MethodsThe system was developed by embedded programming and database technology, which consisted of the RFID label and bar code label, the terminal management node, the routing node, the handhold equipment, the cloud server and the medical equipment management software.ResultsThe application of the system realized that more than 1000 devices of some departments in the hospital were monitored and managed and achieved good results.ConclusionThe system can be carried out on the whole life cycle of the device management, which is an effective tool for lean management to improve the management eff i ciency of medical equipment.

medical equipment management system; cloud server; RFID label; bar code label; temperature-humidity sensor

TP393.02

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.034

1674-1633(2017)04-0125-04

2016-08-30

2016-09-09

作者邮箱：573908266@qq.com