基于CAN总线和无线技术的输液网络监控系统
摘要：据调查 ， 目前在我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构的输液速度和输液量几乎都是不精确的值 ， 凭肉眼观察来估计输液速度 。输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制的 ， 输液量也是护士用只有两个标记的液体瓶倾倒后估计的 。利用人工监视输液情况 ， 给病人和医务人员带来许多不便 。随着无线技术、网络技术和计算机技术的迅速发展 ， 为输液采用无线、网络监控带来了便利条件 。目前已有一些相关输液的研究成果 ， 实现了输液监视、控制、报警等功能 ， 但主要是单台设备独立使用 ， 未能实现网络监控 。文献设计了一种基于RS485总线的输液网络化监控系统 ， 但采用RS485总线和有线监控在许多方面存在不足 。由于CAN总线和无线技术在各个方面得到普遍应用 ， 为此 ， 本文采用CAN总线和无线技术构建一个新的网络化、多功能输液集中监控系统 ， 以满足医院需要 。
1 总体框架设计
根据设计要求 。系统由1个主控机和N个CAN节点执行机组成 ， 它们都挂接在双绞线上 ， 组成一个CAN总线通信局部通信网络 ， CAN总线通信网络中的主控机安装无线数据收发器nRF2401 。与另一个中心控制主机组成无线通信网络 ， 整个系统的关键任务是实现CAN总线内部局域网通信以及无线通信网络的通信 。其系统总体结构框图如图1所示 。
2 CAN总线结构
2.1 主控节点设计
【基于CAN总线和无线技术的输液网络监控系统】CAN总线主控机系统由单片机最小系统、CAN总线通信接口、人机接口、点滴速度传感器和串口通信下载模块及无线通信模块组成 。CAN总线通信接口通过双绞线收发数据 ， 实现与执行机的连通 。结构框图如图2所示 ， 主控机负责与无线通信网络进行数据传输 ， 同时也是CAN总线网络中的一个节点 ， 在整个系统中起着主导作用 ， 无线通信模块采用2.4G的nRF2401通信芯片 ， 而CAN总线通信模块采用SJA1000和PCA82C250 ， 通过单片机控制 ， 实现与其他节点通信 。其他从节点除了没有无线收发模块以外 ， 其他部分与主控机完全相同 。
2.2 CAN通信模块设计
CAN通信模块是本设计的核心 ， 它负责系统中主控机和执行器之间的数据通信 。单个CAN总线节点由单片机、CAN总线控制器、高速光电耦合器及总线驱动器组成 ， 可编程控制 。故称之为智能节点 。设计中CAN通信模块采用了独立式的CAN控制器 ， 数据通过对控制器编程写入控制器芯片的发送缓冲区里发送出去 ， 目的节点则负责把数据接收到数据接收缓冲区里 ， 再通过CAN总线接口和单片机之间的数据总线 ， 传递给单片机进行处理 。设计方案如图3所示 。
3 无线收发模块
无线收发模块采用nRF2401芯片 ， 该芯片具有内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等功能模块 ， 只需要很少的外围元件 ， 使用非常方便 。硬件电路连接实现单片机与nRF2401芯片的接口连接 。发送端与接收端硬件连接几乎一样 ， 具有通用性 ， 可以实现半双工通信 。单片机使用的是STC89C52 ， 成本低 ， 控制简单 ， 容易扩展 。硬件电路如图4所示 。
需要注意的是 ， nRF2401的供电电压范围为1.9～3.6 V ， 但引脚可直接收单片机5V的I/O口相联 。为了使nRF2401更好地工作 ， 最好进行分压处理 。
4 系统软件总体设计
根据设计要求 ， 系统实现功能及软件总体设计如图5所示 。系统包含两大部分 ， 无线服务终端和CAN总线通信系统 。无线服务终端由nRF2401和STC89C52组成 ， 可以向CAN总线通信网络中的任一节点发送和读取数据 。CAN总线通信系统 ， 由3个节点组成 ， 一个节点上接无线收发器nRF2401负责与无线终端系统通信 ， 另外2个节点由图5所示的单片机CAN总线收发系统构成 。
无线服务终端主要起中心控制主机的作用 ， 通过无线模块将指令发送到CAN总线无线接收控制中心 ， 并接收该控制中心检测数据 ， 显示到服务终端液晶模块中 。指令信号可通过按键进行设置 ， 其主程序流程图如图6所示 。
CAN总线无线接收控制中心的主要作用是将节点的数据由CAN总线通信上传到控制中心 ， 再通过无线发送到服务终端 ， 并接收服务终端的指令 ， 通过CAN总线通信下传到相应节点 ， CAN总线中心控制软件流程如图7所示 ， CAN总线通信、无线通信、节点程序流程和其他子程序流程在此不详解 。
完成所有软、硬件后 ， 对CAN总线内部局域网通信、无线收发系统通信、CAN总线与无线收发系统相互通信3部分进行测试 ， 测试内容主要有：CAN总线局域网内部各节点自发自收、相互收发、一对多发送和多对一发送;无线终端与CAN总线之间相互收发;单节点与中心控制主机的收发数据 。以上每项测量发送10个字节 ， 所有结果显示正确 ， 各部分数据传输正确 ， 报错率为0% 。
5 结论
本论文根据中大型医院的需要 ， 针对现有静脉输液监测技术 ， 提出了一种CAN总线和无线技术的输液网络监控系统 。设计并制作了CAN总线节点及通信模块、无线数据收发模块 ， 并为系统开发了配套的软件 。完成了CAN总线内部局域网通信、无线收发系统通信、CAN总线与无线收系统相互通信 ， 试验表明 ， 该系统数据传输与收发正常 ， 错误率为0% 。
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