基于2.4 GHz无线通信技术的智能药品配发系统设计

杨世江,吴金增,徐 庆

(湘西土家族苗族自治州人民医院,湖南 吉首 416000)

0 引言

目前,大部分医院的药品配发依旧沿用传统的人工配发药品方式,既增加了人员的工作量,又给药房工作人员造成了不小的压力。以往的药品配发模式已无法适应如今医院的具体使用要求,并阻碍医疗卫生信息化、智能化的发展步伐。从医院的角度看,怎样提升药品配发效率,降低药品配发的出错率,成了现阶段医疗卫生方面亟待解决的问题。对此,智能化药品配发系统的设计和研发就显得非常关键。

1 基于2.4 GHz无线通信技术的智能药品配发系统设计

1.1 智能药品配发系统整体架构

如图1所示,在患者交过费之后,药房的后台系统就会马上进入配药状态,HIS和自动发框设备相连接,自动发框设备中设置了无线通信模块与红外线识别电路,智能药框中的无线通信模块由红外线识别电路触发,这时自动发框设备就会把处方信息经无线通信线路传输至智能药框中。之后,系统就会进入智能配药环节,药房前端系统把患者的药品都运送到药框中,接着工作人员把配好药的药框一一放在药架上,一旦患者来取药,人员只需刷处方单上的二维码,终端设备就直接将智能药框号码和处方信息相匹配,终端设备利用药框寻找基站和智能药框构建无线通信通道,最后把药品配发给患者[1]。

图1 智能药品配发系统整体架构

1.2 智能药品配发系统的软件设计

在编程设计方面,可利用GDE023A6为底层接口进行驱动开发设计,其结合引脚BS1进行合理配置,并通过GPIO口模拟四线SPI总线达到相应目的。汉字库芯片GT21L16S2Y的数据总线也采用了SPI总线的模式,单片机对汉字库芯片字符点阵数据的读取方式包括快速读取与一般读取,此次设计采用快速读取的方式。对于字号的选择,可选11×12或15×16类型。

1.3 无线通信系统的设计

综合考虑,此次设计使用星状通信系统。当智能药框的红外识别模块收到触发信号,并且收到单片机的备份寄存器数值信息后,无线收发器开始给药框发送初始数据,因智能药框具有抗干扰能力,对无线收发器设置强化模式ShockBurstTM。轮叫轮询模式的运用可以防止数据碰撞,从查找药框到结束查找的过程中,无线收发器应按顺序发送轮询帧给药框,药框在接收到轮询帧以后,如果有需要的数据发送,就会立刻发送,待无线收发器接收到数据包后,则以ACK的形式给药框发送应答信号,该信号代表发送完成[2]。

设应答包的发送时间为ti-ACK,药框发送控制帧的时间为ti-ctl,无线收发器发送轮询帧的时间为ti-Ntc,药框发送数据包的时间为ti,基于自动应答模式,智能药框在发送数据后会转换至接收模式,且等无线收发器的应答,如果从发送自动转换成接收模式的时间为132 μs,SPI写入寄存器命令至少要152 μs。相关公式如下:

(1)

其中air date rate代表智能药框与无线收发器的数据传输速率,为2 000 kbps,地址为5个字节,CRC为2个字节,控制帧有效字节为1。通过将上述参数代入,得到发送应答包的时间约0.038 m/s。药框发送数据包的时间为0.12 m/s,无线收发器发送轮询帧和药框控制帧的时间为0.04 m/s。无线通信系统轮询以此的时间t2公式如下:

t2=290 μs+130 μs+ti-ACK+tctl+130 μs+290 μs+ti-Ntc+ti

(2)

单位时间(1 s)内可容纳最大从机数量相关公式如下:

No=1/t2

(3)

通过构建系统模型,根据衡量系统性能的关键参数分析,即网络载荷G、吞吐量S,基于系统平稳运行,在时间t0中达到系统的平均帧数须和吞吐量相等,P为数据帧发送成功的概率。相关公式如下:

S=G×P

(4)

2 基于2.4 GHz无线通信技术的智能药品配发系统评测

2.1 智能药品配发系统的通信评测

基于2.4 GHz无线通信技术,智能药框可满足信息绑定与查找要求。其中,等待查找环节对无线通信距离的要求相对较高,可选择在空旷的环境下进行评测。选取某附属医院大广场为评测地点,把智能药框和处方绑定之后,设置其为等待查找的状态,评测人员拿着智能药框慢慢离开电脑,其他评测人员在电脑上输入药框地址,点击上位机软件的“查找”按钮,人员通过观察智能药框指示灯是否亮,记录下最大通信距离。通过试验,智能药框和上位机的最大通信距离为74 m,如表1所示。

表1 通信距离测评

2.2 智能药品配发系统的能耗评测

人员在智能药框的过程中,还必须重视能耗方面的问题。设V1为待测电阻电压,把10电阻串联至智能药框中,通过示波器测量电阻的电压波形。相关公式如下:

(5)

以此人员对智能药框在各个状态下的电流消耗进行估算,其中i表示电阻两端的电压波形,V为电压,R为电阻。测评智能药框处在状态1时,表示等待配药绑定,此时的下一个周期处于4 s的间歇状态。此状态下智能药框所处的运行模式时间为400 m/s,不考虑尖端脉冲因素,电压最大值约125 mV,待机模式的时间约3 s,电压最大值约6 mV。关于状态1“等待配药绑定”的平均电流消耗相关公式如下:

(6)

在测评状态2时,智能药框处于“等待查找”状态。通过人员的分析,此状态下一个周期为4 s,智能药框依旧采用间歇运行模式,运行时间约60.32 m/s。在运行状态下,智能药框状态转换时间为54 m/s,电压约120 mV,待机工作方式下的电压值为7 mV。关于状态2“等待查找”的平均电流消耗相关公式如下:

(7)

按照市场调查的情况,可供使用电池的总容量为2 977 mAh。在患者在平台上完成缴费以后,药房服务器就会收到信息,药框迅速响应,等待配药[3]。采用文献查阅法。例如,在某地区的总医院自动化药房处方配药的时间为2 min,诊室分布在4楼,距离药房约380～460 m,平均每天可调配5 000个处方。如果患者完成平台缴费,到药房取药,智能药框配药设置的时间为6 s,配药最多需要2 min,设患者到药房的时间为5.6 min。因此,药框等患者取药的时间为5.6-2=3.6 min。若平均每天每个药框使用25次,那么平均每天每个智能药框处于“等待查找”状态的时间如下:

t2=25×2.2=48.4 min

(8)

由此,每个智能药框每天的电池容量消耗如下:

W=0.78 h×1.5 mA+23.6 h×2.2 mA=53.09 mAh

(9)

通过估算,从配药前等待药框绑定至患者取药结束共耗费5.4 min,基本满足智能药品配发系统的设计需求。

3 结语

综上所述,本文以2.4 GHz无线通信技术为基础,设计了智能药品配发系统,采用了STM32的核心元件,由智能药框硬件、系统软件、上位机等软件模块构成了整个系统。此系统属于一点对多点通信,进行了通信防碰撞测试与分析,设计了智能药品配发系统的软件结构,最后评测了整个智能药品配发系统,结果表明该系统设计满足相应功能的需求。