基于CAN總線和無線技術的輸液網絡監控系統

　　摘要：據調查，目前在我國的大、中、小型醫院及下屬社區衛生院、診所等醫療機構的輸液速度和輸液量幾乎都是不精確的值，憑肉眼觀察來估計輸液速度。輸液速度是護士通過轉動輸液器上的手動滑輪來控制的，輸液量也是護士用只有兩個標記的液體瓶傾倒后估計的。利用人工監視輸液情況，給病人和醫務人員帶來許多不便。隨著無線技術、網絡技術和計算機技術的迅速發展，為輸液采用無線、網絡監控帶來了便利條件。目前已有一些相關輸液的研究成果，實現了輸液監視、控制、報警等功能，但主要是單臺設備獨立使用，未能實現網絡監控。文獻設計了一種基于RS485總線的輸液網絡化監控系統，但采用RS485總線和有線監控在許多方面存在不足。由于CAN總線和無線技術在各個方面得到普遍應用，為此，本文采用CAN總線和無線技術構建一個新的網絡化、多功能輸液集中監控系統，以滿足醫院需要。

　　1 總體框架設計

　　根據設計要求。系統由1個主控機和N個CAN節點執行機組成，它們都掛接在雙絞線上，組成一個CAN總線通信局部通信網絡，CAN總線通信網絡中的主控機安裝無線數據收發器nRF2401。與另一個中心控制主機組成無線通信網絡，整個系統的關鍵任務是實現CAN總線內部局域網通信以及無線通信網絡的通信。其系統總體結構框圖如圖1所示。

　　2 CAN總線結構

　　2.1 主控節點設計

　　CAN總線主控機系統由單片機最小系統、CAN總線通信接口、人機接口、點滴速度傳感器和串口通信下載模塊及無線通信模塊組成。CAN總線通信接口通過雙絞線收發數據，實現與執行機的連通。結構框圖如圖2所示，主控機負責與無線通信網絡進行數據傳輸，同時也是CAN總線網絡中的一個節點，在整個系統中起著主導作用，無線通信模塊采用2.4 G的nRF2401通信芯片，而CAN總線通信模塊采用SJA1000和PCA82C 250，通過單片機控制，實現與其他節點通信。其他從節點除了沒有無線收發模塊以外，其他部分與主控機完全相同。

　　2.2 CAN通信模塊設計

　　CAN通信模塊是本設計的核心，它負責系統中主控機和執行器之間的數據通信。單個CAN總線節點由單片機、CAN總線控制器、高速光電耦合器及總線驅動器組成，可編程控制。故稱之為智能節點。設計中CAN通信模塊采用了獨立式的CAN控制器，數據通過對控制器編程寫入控制器芯片的發送緩沖區里發送出去，目的節點則負責把數據接收到數據接收緩沖區里，再通過CAN總線接口和單片機之間的數據總線，傳遞給單片機進行處理。設計方案如圖3所示。

　　3 無線收發模塊

　　無線收發模塊采用nRF2401芯片，該芯片具有內置地址解碼器、先入先出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等功能模塊，只需要很少的外圍元件，使用非常方便。硬件電路連接實現單片機與nRF2401芯片的接口連接。發送端與接收端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可以實現半雙工通信。單片機使用的是STC89C52，成本低，控制簡單，容易擴展。硬件電路如圖4所示。

　　需要注意的是，nRF2401的供電電壓范圍為1.9～3.6 V，但引腳可直接收單片機5 V的I/O口相聯。為了使nRF2401更好地工作，最好進行分壓處理。

　　4 系統軟件總體設計

　　根據設計要求，系統實現功能及軟件總體設計如圖5所示。系統包含兩大部分，無線服務終端和CAN總線通信系統。無線服務終端由nRF2 401和STC89C52組成，可以向CAN總線通信網絡中的任一節點發送和讀取數據。CAN總線通信系統，由3個節點組成，一個節點上接無線收發器nRF2401負責與無線終端系統通信，另外2個節點由圖5所示的單片機CAN總線收發系統構成。

　　無線服務終端主要起中心控制主機的作用，通過無線模塊將指令發送到CAN總線無線接收控制中心，并接收該控制中心檢測數據，顯示到服務終端液晶模塊中。指令信號可通過按鍵進行設置，其主程序流程圖如圖6所示。

　　CAN總線無線接收控制中心的主要作用是將節點的數據由CAN總線通信上傳到控制中心，再通過無線發送到服務終端，并接收服務終端的指令，通過CAN總線通信下傳到相應節點，CAN總線中心控制軟件流程如圖7所示，CAN總線通信、無線通信、節點程序流程和其他子程序流程在此不詳解。

　　完成所有軟、硬件后，對CAN總線內部局域網通信、無線收發系統通信、CAN總線與無線收發系統相互通信3部分進行測試，測試內容主要有：CAN總線局域網內部各節點自發自收、相互收發、一對多發送和多對一發送;無線終端與CAN總線之間相互收發;單節點與中心控制主機的收發數據。以上每項測量發送10個字節，所有結果顯示正確，各部分數據傳輸正確，報錯率為0%。

　　5 結論

　　本論文根據中大型醫院的需要，針對現有靜脈輸液監測技術，提出了一種CAN總線和無線技術的輸液網絡監控系統。設計并制作了CAN總線節點及通信模塊、無線數據收發模塊，并為系統開發了配套的軟件。完成了CAN總線內部局域網通信、無線收發系統通信、CAN總線與無線收系統相互通信，試驗表明，該系統數據傳輸與收發正常，錯誤率為0%。