基于2.4 GHz無線通信技術的智能藥品配發系統設計

楊世江,吳金增,徐 慶

(湘西土家族苗族自治州人民醫院,湖南 吉首 416000)

0 引言

目前,大部分醫院的藥品配發依舊沿用傳統的人工配發藥品方式,既增加了人員的工作量,又給藥房工作人員造成了不小的壓力。以往的藥品配發模式已無法適應如今醫院的具體使用要求,并阻礙醫療衛生信息化、智能化的發展步伐。從醫院的角度看,怎樣提升藥品配發效率,降低藥品配發的出錯率,成了現階段醫療衛生方面亟待解決的問題。對此,智能化藥品配發系統的設計和研發就顯得非常關鍵。

1 基于2.4 GHz無線通信技術的智能藥品配發系統設計

1.1 智能藥品配發系統整體架構

如圖1所示,在患者交過費之后,藥房的后臺系統就會馬上進入配藥狀態,HIS和自動發框設備相連接,自動發框設備中設置了無線通信模塊與紅外線識別電路,智能藥框中的無線通信模塊由紅外線識別電路觸發,這時自動發框設備就會把處方信息經無線通信線路傳輸至智能藥框中。之后,系統就會進入智能配藥環節,藥房前端系統把患者的藥品都運送到藥框中,接著工作人員把配好藥的藥框一一放在藥架上,一旦患者來取藥,人員只需刷處方單上的二維碼,終端設備就直接將智能藥框號碼和處方信息相匹配,終端設備利用藥框尋找基站和智能藥框構建無線通信通道,最后把藥品配發給患者[1]。

圖1 智能藥品配發系統整體架構

1.2 智能藥品配發系統的軟件設計

在編程設計方面,可利用GDE023A6為底層接口進行驅動開發設計,其結合引腳BS1進行合理配置,并通過GPIO口模擬四線SPI總線達到相應目的。漢字庫芯片GT21L16S2Y的數據總線也采用了SPI總線的模式,單片機對漢字庫芯片字符點陣數據的讀取方式包括快速讀取與一般讀取,此次設計采用快速讀取的方式。對于字號的選擇,可選11×12或15×16類型。

1.3 無線通信系統的設計

綜合考慮,此次設計使用星狀通信系統。當智能藥框的紅外識別模塊收到觸發信號,并且收到單片機的備份寄存器數值信息后,無線收發器開始給藥框發送初始數據,因智能藥框具有抗干擾能力,對無線收發器設置強化模式ShockBurstTM。輪叫輪詢模式的運用可以防止數據碰撞,從查找藥框到結束查找的過程中,無線收發器應按順序發送輪詢幀給藥框,藥框在接收到輪詢幀以后,如果有需要的數據發送,就會立刻發送,待無線收發器接收到數據包后,則以ACK的形式給藥框發送應答信號,該信號代表發送完成[2]。

設應答包的發送時間為ti-ACK,藥框發送控制幀的時間為ti-ctl,無線收發器發送輪詢幀的時間為ti-Ntc,藥框發送數據包的時間為ti,基于自動應答模式,智能藥框在發送數據后會轉換至接收模式,且等無線收發器的應答,如果從發送自動轉換成接收模式的時間為132 μs,SPI寫入寄存器命令至少要152 μs。相關公式如下:

(1)

其中air date rate代表智能藥框與無線收發器的數據傳輸速率,為2 000 kbps,地址為5個字節,CRC為2個字節,控制幀有效字節為1。通過將上述參數代入,得到發送應答包的時間約0.038 m/s。藥框發送數據包的時間為0.12 m/s,無線收發器發送輪詢幀和藥框控制幀的時間為0.04 m/s。無線通信系統輪詢以此的時間t2公式如下:

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

(2)

單位時間(1 s)內可容納最大從機數量相關公式如下:

No=1/t2

(3)

通過構建系統模型,根據衡量系統性能的關鍵參數分析,即網絡載荷G、吞吐量S,基于系統平穩運行,在時間t0中達到系統的平均幀數須和吞吐量相等,P為數據幀發送成功的概率。相關公式如下:

S=G×P

(4)

2 基于2.4 GHz無線通信技術的智能藥品配發系統評測

2.1 智能藥品配發系統的通信評測

基于2.4 GHz無線通信技術,智能藥框可滿足信息綁定與查找要求。其中,等待查找環節對無線通信距離的要求相對較高,可選擇在空曠的環境下進行評測。選取某附屬醫院大廣場為評測地點,把智能藥框和處方綁定之后,設置其為等待查找的狀態,評測人員拿著智能藥框慢慢離開電腦,其他評測人員在電腦上輸入藥框地址,點擊上位機軟件的“查找”按鈕,人員通過觀察智能藥框指示燈是否亮,記錄下最大通信距離。通過試驗,智能藥框和上位機的最大通信距離為74 m,如表1所示。

表1 通信距離測評

2.2 智能藥品配發系統的能耗評測

人員在智能藥框的過程中,還必須重視能耗方面的問題。設V1為待測電阻電壓,把10電阻串聯至智能藥框中,通過示波器測量電阻的電壓波形。相關公式如下:

(5)

以此人員對智能藥框在各個狀態下的電流消耗進行估算,其中i表示電阻兩端的電壓波形,V為電壓,R為電阻。測評智能藥框處在狀態1時,表示等待配藥綁定,此時的下一個周期處于4 s的間歇狀態。此狀態下智能藥框所處的運行模式時間為400 m/s,不考慮尖端脈沖因素,電壓最大值約125 mV,待機模式的時間約3 s,電壓最大值約6 mV。關于狀態1“等待配藥綁定”的平均電流消耗相關公式如下:

(6)

在測評狀態2時,智能藥框處于“等待查找”狀態。通過人員的分析,此狀態下一個周期為4 s,智能藥框依舊采用間歇運行模式,運行時間約60.32 m/s。在運行狀態下,智能藥框狀態轉換時間為54 m/s,電壓約120 mV,待機工作方式下的電壓值為7 mV。關于狀態2“等待查找”的平均電流消耗相關公式如下:

(7)

按照市場調查的情況,可供使用電池的總容量為2 977 mAh。在患者在平臺上完成繳費以后,藥房服務器就會收到信息,藥框迅速響應,等待配藥[3]。采用文獻查閱法。例如,在某地區的總醫院自動化藥房處方配藥的時間為2 min,診室分布在4樓,距離藥房約380～460 m,平均每天可調配5 000個處方。如果患者完成平臺繳費,到藥房取藥,智能藥框配藥設置的時間為6 s,配藥最多需要2 min,設患者到藥房的時間為5.6 min。因此,藥框等患者取藥的時間為5.6-2=3.6 min。若平均每天每個藥框使用25次,那么平均每天每個智能藥框處于“等待查找”狀態的時間如下:

t2=25×2.2=48.4 min

(8)

由此,每個智能藥框每天的電池容量消耗如下:

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

(9)

通過估算,從配藥前等待藥框綁定至患者取藥結束共耗費5.4 min,基本滿足智能藥品配發系統的設計需求。

3 結語

綜上所述,本文以2.4 GHz無線通信技術為基礎,設計了智能藥品配發系統,采用了STM32的核心元件,由智能藥框硬件、系統軟件、上位機等軟件模塊構成了整個系統。此系統屬于一點對多點通信,進行了通信防碰撞測試與分析,設計了智能藥品配發系統的軟件結構,最后評測了整個智能藥品配發系統,結果表明該系統設計滿足相應功能的需求。