基于無線通信的醫(yī)療設備遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

姚 君 凌霽云

醫(yī)療設備的使用率管理是設備質量控制的范疇，但傳統(tǒng)的設備管理方式無論從收費端口或是使用登記記錄的統(tǒng)計均采用繁瑣的人工方法，占用了大量的人力時間和精力。因此，加強對于醫(yī)療設備的使用管理和監(jiān)測、提高設備管理精益化水平已成為醫(yī)院醫(yī)療設備管理重要課題[1-2]。為此，本研究設計一套智能的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括上位機軟件(特指PC機用戶軟件)和前端數(shù)據(jù)采集單板(簡稱單板)。以WiFi為媒介連接呼吸機，將采集到的醫(yī)療設備工作狀態(tài)通過上位機二次顯示。選擇的醫(yī)療設備為遵循MediBus通信協(xié)議的Evita系列呼吸機(德國Dr?ger公司)。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

1.1 硬件總體結構

在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分主要由PC機、無線路由及數(shù)據(jù)采集單板組成。數(shù)據(jù)采集單板與呼吸機通過RS232串口實現(xiàn)連接，并實現(xiàn)與呼吸機的數(shù)據(jù)通訊與預處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送至上位機軟件，采用了用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(user datagram protocol，UDP)的通訊協(xié)議[3-4]。上位機的主要任務是實時接收各個單板發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并顯示在界面上(如圖1所示)。

圖1 在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件總體結構圖

1.2 數(shù)據(jù)采集單板硬件設計

數(shù)據(jù)采集板的主要模塊包含了主控芯片、系統(tǒng)電源、RS232電路、WiFi模塊、微控制器單元(micro control unit，MCU)及配置接口電路等(如圖2所示)。

圖2 在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單板結構圖

1.2.1 主控MCU

設計采用Kinetis L系列微控制器(MKL26Z256VLL4)，內部具備了256 KB的Flash和32 KB的靜態(tài)隨機存取存儲器(static random-access memory，SRAM)。MCU并不能獨立工作，必須給其供電，配上時鐘，并提供復位信號等，也可以包括燒錄接口或者調試接口，所組成的電路成為MCU的最小系統(tǒng)，是MCU工作所必須的最低規(guī)模的外圍電路[5]。

1.2.2 WiFi模塊

本研究設計采用LPB100超低功耗嵌入式WiFi模組，提供了一種將用戶的物理設備連接到WiFi無線網(wǎng)絡上，并提供通用異步收發(fā)器(universal asynchronous receiver transmitter，UART)串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。該模塊硬件上集成了媒體訪問控制(media access control，MAC)、基頻芯片、射頻收發(fā)單元以及功率放大器；嵌入式的固件則支持WiFi協(xié)議及配置，以及組網(wǎng)的傳輸控制協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(transmission control protocol/internet protocol，TCP/IP)協(xié)議棧[6-7]。WiFi模塊的應用電路使用了MCU的串口0，WiFi模塊的Ready和Link引腳連接到了MCU的通用輸入與輸出(general purpose input output，GPIO)，便于MCU查詢WiFi模塊的狀態(tài)，MCU和WiFi模塊之間采用AT指令進行數(shù)據(jù)通訊(如圖3所示)。

圖3 HF-LPB100 WiFi模塊電路圖

1.2.3 系統(tǒng)電源

設計電源電路的過程是一個權衡的過程，需要考慮的因素有：輸出電壓、電流功耗、輸入電壓、輸出紋波等，更設置于需要考慮電磁兼容、電磁干擾、體積限制、功耗限制和成本限制。考慮到便于單板的取電，采用常見的適配器供電，供電范圍為9～12 Vdc，采用AOZ1031和LM1117-3V3電源芯片實現(xiàn)降壓。

1.2.4 RS232通訊電路

MCU一般都具有全雙工的串口收發(fā)器，利用MCU實現(xiàn)RS-232通訊非常方便，但是需要加一級的電平轉化，將MCU的TTL電平轉化為RS-232電平，本設計采用了MAX3232電平轉化芯片，并使用了MCU的串口1與Evita進行通訊，如圖4所示。

圖4 MAX3232電路圖

Evita系列呼吸機具備一個RS-232-C接口(DB9母)，經(jīng)測試，該頭的引腳定義并非符合規(guī)范，為此特制了一根具有DB9公頭的轉換線。在Evita開機后的界面中也需要開啟MediBus通訊功能，并設置通訊的波特率，數(shù)據(jù)位，起始停止位和校驗位等參數(shù)。

1.2.5 配置接口及存儲電路

(1)配置接口電路。單板需要配置一些參數(shù)，并本地保存，如WiFi的服務集標識符(service set identifier，SSID)和Psk、遠程服務器地址與端口、Evita機所屬科室與資產(chǎn)編號等。通過MCU的串口2進行通訊并實現(xiàn)參數(shù)配置，為了便于使用，故設計了通用串行總線(universal serial bus，USB)到串口的橋接電路，采用了CH340G實現(xiàn)上述功能。

(2)存儲電路。系統(tǒng)中的配置參數(shù)需要存儲，使用AT24C系列外部電可擦除可編程只讀存儲器(electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM)。AT24C02內部具有256x8Bits的存儲空間，使用I2C總線與MCU通訊。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

2.1 WiFi模塊AT指令

(1)HF-LPB100模塊支持串口透明傳輸模式，在硬件上使用MCU的串口0與之通訊，軟件上需通過AT指令配置必要的參數(shù)，上電后模塊自動連接到默認的無線網(wǎng)絡和服務器，模塊的串口在透明傳輸模式下工作，無需關心復雜的無線局域網(wǎng)協(xié)議，減少了集成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖_發(fā)工作量，需要預設的參數(shù)為：①無線網(wǎng)絡參數(shù)。網(wǎng)絡名稱、安全模式、密鑰；②TCP/UDP連接參數(shù)。協(xié)議類型、連接類型、目的端口、目的IP地址；③串口參數(shù)。波特率、數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位和硬件流控制[8]。

(2)HF-LPB100上電后，默認進入透傳模式，為了配置上述參數(shù)，需要通過串口命令把模塊切換命令模式，默認的串口參數(shù)配置為：115200 bps/8位數(shù)據(jù)位/無校驗位/1位停止位。

(3)通過串口調試工具輸入“+++”，模塊返回“a”，在3 s內發(fā)送“a”，模塊返回“+ok”，即進入命令模式，再采用AT+WSSSID，AT+WSKEY配置無線網(wǎng)絡參數(shù)，AT+Z指令可重啟模塊使設置生效，AT+NETP配置TCP/UDP連接參數(shù)，最后利用AT+ENTM進入透傳模式。

2.2 MCU軟件設計

MCU軟件設計的功能需求包括呼吸機數(shù)據(jù)采集、WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸、單板配置等。呼吸機數(shù)據(jù)的采集，根據(jù)由呼吸機廠商提供Medibus通訊協(xié)議進行解析，WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸和單板配置定義了一套通訊協(xié)議。系統(tǒng)軟件構架如圖5所示。

圖5 在線監(jiān)測系統(tǒng)軟件構架圖

2.2.1 MediBus通信協(xié)議

MediBus是德爾格醫(yī)療設備與外部醫(yī)療設備或非醫(yī)療設備之間進行數(shù)據(jù)交換的通信協(xié)議，MediBus主要用于具備RS232接口的儀器，分為命令指令和命令響應兩種類型的信息：①命令指令，發(fā)送于一臺儀器向另一臺儀器請求數(shù)據(jù)或控制的時候；②命令響應，發(fā)送于一臺儀器對于另一臺儀器發(fā)來的命令做出響應時。在初始化通信或重新啟動通信超時階段，設備必須發(fā)送初始化通信命令[9]。

對呼吸機發(fā)送命令指令，若能收到響應則認為該呼吸機處于在線狀態(tài)，不帶參數(shù)發(fā)送格式見表1。

表1 不帶參數(shù)的發(fā)送格式[字節(jié)(Byte)]

根據(jù)MediBus通信協(xié)議，用USB轉RS232串口線將呼吸機與PC機相連接，前期用串口調試助手來調試和接收命令，確定PC機和呼吸機連接正常，基于上步正確的指令響應數(shù)據(jù)，然后利用特制的串口線將數(shù)據(jù)采集單板和呼吸機相連接，利用PC機與呼吸機的通訊格式進行通訊，如此即可檢測到呼吸機是否在線[10-11]。

2.2.2 串口配置與WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸

該系統(tǒng)包括上位機軟件和前端數(shù)據(jù)采集單板。其中，上位機軟件分為參數(shù)配置軟件與服務器軟件，參數(shù)配置軟件可以用于配置單板的一些固有屬性，如單板ID、本機IP地址與端口、服務器IP地址與端口、WiFi的SSID與PSK等。單板與參數(shù)配置軟件間采用串口通訊，使用USB線進行連接；WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸，單板利用LPB100嵌入式WiFi模塊接入局域網(wǎng)絡，控制核心MCU與LPB100模塊采用了串口通訊，LPB100具備串口透明傳輸模式，與服務器建立連接后的網(wǎng)絡UDP通訊實為串口通訊，如圖6所示。

圖6 在線監(jiān)測系統(tǒng)LPB100應用圖

為了滿足上述兩種串口通訊，定義了串口通訊字節(jié)流通訊格式。

CheckSum是整個數(shù)據(jù)報的檢驗和，計算方法為從0x7E開始至CheckSum之前的所有數(shù)據(jù)按字節(jié)累計相加取低16位，高8位存于CheckSum1，低8位存于CheckSum2，串口配置通訊的幀類型分為握手、讀取配置及寫入配置。

網(wǎng)絡通訊主要分為登錄通訊和數(shù)據(jù)通訊兩類通訊過程：①登錄通訊，單板在兩種情況下會發(fā)起登錄通訊，一種是設備上電或者復位，另一種是與PC機斷開了連接，需要重新登錄；②數(shù)據(jù)通訊，由單板單方向發(fā)起，重要前提是單板在線。

網(wǎng)絡通訊整體流程：①單板向PC機通過UDP發(fā)起登錄幀，表示成功在線；②單板向PC機通過UDP發(fā)送設備狀態(tài)幀，且僅登錄過的單板發(fā)送的狀態(tài)幀有效；③在PC端收到狀態(tài)幀之后應向該單板發(fā)送確認數(shù)據(jù)幀，以確保雙方數(shù)據(jù)通訊不會中斷。

當單板開機會向被設置的目的PC機發(fā)送登錄幀，其中包括了固有的ID、本地IP與端口。在發(fā)送狀態(tài)幀時，也會包含此ID、本地IP與端口。在PC機軟件端，僅登錄過的ID的狀態(tài)幀才有效。在PC端若256 s內都未接受到狀態(tài)幀則進行設備斷開顯示。在單板處，若在發(fā)送完成狀態(tài)幀之后的10 s之內都未收到PC端的確認數(shù)據(jù)幀，則表示網(wǎng)絡鏈路斷開，則重新登陸該PC機，且停止發(fā)送狀態(tài)幀。

2.2.3 單片機軟件工作流程

單片機是數(shù)據(jù)采集單板的核心，在其控制下各個模塊展開工作，其初始化主要包括了GPIO初始化、串口初始化、定時器初始化、中斷初始化和EEPROM數(shù)據(jù)初始化，隨后其包括了3個關鍵的任務：①負責接收來自串口的配置數(shù)據(jù)用于配置單板；②負責接收和發(fā)送網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；③負責與呼吸機通訊的數(shù)據(jù)采集任務。MCU軟件整體流程如圖7所示。

0x51為MediBus的初始化通訊命令(ICC)，通過對呼吸機發(fā)送該指令有無響應可以判斷呼吸機是否在線，其流程如圖8所示。

圖7 在線監(jiān)測系統(tǒng)MCU軟件整體流程圖

圖8 在線監(jiān)測系統(tǒng)MediBus數(shù)據(jù)采集流程圖

2.3 上位機軟件設計

醫(yī)療設備在線監(jiān)控系統(tǒng)的軟件部分是整個軟件系統(tǒng)正常運作的核心之一，系統(tǒng)將PC機作為上位機。上位機軟件采用微軟公司的應用開發(fā)工具Visual Studio 2010，選用C＃語言開發(fā)界面具有一定的優(yōu)勢，因此上位機軟件選擇用C#作為開發(fā)編程語言，生成可執(zhí)行文件。上位機軟件的核心功能主要包括了單板參數(shù)的配置(串口通訊)和呼吸機在線監(jiān)控顯示(網(wǎng)絡通訊)，其功能模塊如圖9所示。

圖9 在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機軟件功能模塊圖

通訊配置模塊用于配置串口通訊和網(wǎng)絡通訊所需的串口號、波特率、UDP端口號等信息。

串口通訊模塊和網(wǎng)絡通訊模塊在正確的通訊參數(shù)配置下完成最底層的串口數(shù)據(jù)的收發(fā)，供數(shù)據(jù)解碼模塊解析處理，這些數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)記錄導出模塊和圖形界面的原始數(shù)據(jù)。通訊模塊和數(shù)據(jù)解碼模塊程序基于通訊協(xié)議編寫，主要實現(xiàn)上位機和單板的通訊。串口配置過程流程如下：PC端通過串口發(fā)送握手信號→單板發(fā)出回應與PC機建立聯(lián)系→PC將編輯界面的數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送至單板→單板正確解析后寫入EEPROM→保存并更新單板配置。網(wǎng)絡通訊部分主要是在開啟服務器后不斷接收來自單板發(fā)出的數(shù)據(jù)幀，根據(jù)協(xié)議解析呼吸機是否在線，將設備名稱、地理位置、科室、固定資產(chǎn)編號和工作狀態(tài)顯示在界面中，并可以根據(jù)設定的時間段導出運行數(shù)據(jù)，作為統(tǒng)計依據(jù)，上位機軟件界面如圖10所示。

圖10 在線監(jiān)測系統(tǒng)上位機網(wǎng)絡通訊軟件界面圖

3 結論

通過兩臺Evita4呼吸機的采樣試點和聯(lián)網(wǎng)測試，本研究成功收集了兩臺呼吸機在線狀態(tài)數(shù)據(jù)，驗證了該系統(tǒng)運行的可行性，但是該產(chǎn)品在設計上還有很大的提升空間，可根據(jù)MediBus通信協(xié)議擴展呼吸機的運行數(shù)據(jù)監(jiān)測，進一步減輕護理人員的床邊工作量；也可擴展到其他多種類別的醫(yī)療設備在線監(jiān)測，為統(tǒng)計分析使用率提供更大的便利[12]。