馬繼鵬，孔德友，劉肖肖

濟寧醫(yī)學院附屬醫(yī)院 醫(yī)學裝備處，山東 濟寧 272000

基于GPRS、Zigbee和RFID的醫(yī)療設備管理系統(tǒng)的開發(fā)

馬繼鵬，孔德友，劉肖肖

濟寧醫(yī)學院附屬醫(yī)院 醫(yī)學裝備處，山東 濟寧 272000

目的解決醫(yī)院面臨醫(yī)療設備種類多、數量大、分布廣導致管理復雜的問題，設計一種醫(yī)療設備管理系統(tǒng)。方法系統(tǒng)采用嵌入式程序設計和數據庫技術開發(fā)。系統(tǒng)由RFID標簽及條碼標簽、終端管理節(jié)點、路由節(jié)點及手持設備、云服務器和醫(yī)療設備管理軟件組成。結果系統(tǒng)的應用，實現了對全院部分科室1000多臺設備的監(jiān)測與管理，并取得了良好效果。結論該系統(tǒng)可用于設備的全生命期的管理，是醫(yī)療設備精細化管理的有效工具，可有效提高設備的管理效率。

醫(yī)療設備管理系統(tǒng)；云服務器；RFID標簽；條碼標簽；溫濕度傳感器

引言

目前，我院醫(yī)療設備近5000臺，種類150多種，科室近100個，各部門之間設備借用、調配混亂，給臨床科室和醫(yī)學工程人員的管理工作帶來了挑戰(zhàn)。為此，本研究設計一種醫(yī)療設備管理系統(tǒng)，實現對設備的有效管理。

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)總體設計包括RFID標簽、條碼標簽、終端節(jié)點、路由節(jié)點、手持設備、云服務器和醫(yī)療設備管理軟件[1]。系統(tǒng)總體設計框圖，見圖1。

（1）RFID標簽存儲設備的基礎信息，包括：設備名稱、購置日期、注冊證號、保修年限等；條形碼標簽提供了設備的可視標識，內容包括科室名稱、設備名稱和8位的條碼編號。

（2）終端管理節(jié)點作用：一是檢測特殊設備的環(huán)境溫濕度信息，并具有煙霧報警功能；二是授權部分設備使用，只有插上該設備的射頻識別卡時終端控制繼電器才閉合，導通電源授權工作。

（3）路由節(jié)點：實現無線通信模塊（Zigbee）網絡的中繼功能。

（4）手持設備：其功能包括終端節(jié)點的數據收集、無線射頻標簽識別、條形碼標簽識別和遠程傳輸。

（5）云服務器：是存儲設備信息的數據庫。

（6）醫(yī)療設備管理軟件：通過此軟件可以實現對醫(yī)療設備的申購、論證、招標、采購、驗收、質控、培訓、維修、維護、效益分析、報廢等管理過程。

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件由手持設備和終端節(jié)點組成，手持設備由巡查人員攜帶使用，終端節(jié)點放置于各護理單元。

2.1 手持設備

手持設備組成結構圖，見圖2。

圖2 手持設備組成結構圖

圖中主控電路采用適合手持設備開發(fā)的STM32F4系列單片機。電池采用可充電的大容量鋰電池，電路具有電池短路保護、電池容量檢測、充電指示功能。

顯示采用T12864C063A 2.5寸單色、12864圖形點陣LCD顯示屏。

射頻識別采用MFRC522芯片（NXP公司生產），具有低電壓、低成本、小體積的特點，它與主機間的通信采用SPI串口通信[2]。

GPRS無線模塊采用A8500芯片，具有體積小、功耗低、信號接收靈敏度高、AT指令簡單的特點，微控制器通過AT指令對網絡進行配置[3]。

Zigbee模塊采用TI的CC2530芯片和協議棧，接收靈敏度高，發(fā)射強度可編程，低功耗模式，可無縫實現休眠功能，Zigbee模塊與微控制器采用RS232通信接口[4]。

紅外掃描模塊采用DL-X720一維CCD條碼掃描模組，通信接口采用RS232。

按鍵采用矩陣鍵盤，有GPRS、RFID、Zigbee、紅外掃碼功能按鍵。

2.2 終端節(jié)點

終端節(jié)點組成結構圖，見圖3。

圖3 終端節(jié)點組成結構圖

圖中節(jié)點以CC2530為處理器，內部增強型8051內核，TI協議棧，在其應用層添加代碼對溫濕度傳感器和煙霧傳感器進行數據采集和處理。

RFID模塊讀取電子卡，如果讀取的信息正確就控制繼電器閉合授權設備使用。

電源轉換電路把220 V交流電通過隔離開關電源降壓至12 V DC，再通過兩片DC-DC開關電源芯片LM2596分別降壓至正負5 V給各模塊供電。

SHT10為高精度溫濕度傳感器，與模塊通過自定義串口協議進行通信。

煙霧傳感器采用MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊，輸出為模擬信號，信號經模擬放大電路處理后輸入CC2530的ADC引腳端，進行模數轉換采集，算法采集50個數字樣本并取中值作為有效值，然后再根據此數值通過查表法得到相關煙霧濃度數值[5]。

2.3 電路設計注意事項

手持設備必須保證低功耗特性。在設計時，一是采用超低功耗芯片，如主控芯片要具有休眠、睡眠模式，電源芯片的靜態(tài)電流要nA級；二是采用邏輯控制，對于各模塊供電需通過開關管控制，在休眠前主控芯片配置相應管腳進入高阻抗輸入模式，并切斷相應模塊供電電源，避免各模塊靜態(tài)電流損耗。

無線模塊在信號質量差時，功耗增大，為了保持供電電壓穩(wěn)定，采用2個470 μF鉭電容并聯，在印刷線路板（Printed Circuit Board，PCB）布局布線時，優(yōu)先保證模塊的電源走線寬度和最短距離，保證天線的輻射空間，天線位置的PCB板正反面要無器件、走線和覆銅。

電容緊挨單片機電源接口，防止電壓突變引起單片機重啟動，并設置硬件看門狗，防止程序進入死循環(huán)。

2.4 射頻識別標簽和條形碼標簽

本系統(tǒng)采用射頻識別標簽和條形碼標簽共存的方式對設備進行標示管理。射頻識別的優(yōu)勢在于信息卡內存儲，信息準確、存儲量大、安全性高，讀寫次數達到10萬次，數據保存10年以上；缺點在于成本稍高，很多設備表面是金屬的，不能貼，只能懸掛。條形碼標簽的優(yōu)點在于成本低，方便粘貼；缺點在于容易被污染和磨損，本身不能存儲信息，需要連接數據庫查詢信息[6]。

圖4 醫(yī)療設備管理軟件模塊組成圖

在實際應用中，對大中型設備主要采用射頻識別的方式標記，對小型設備主要采用條形碼標簽的形式進行標記，對金屬外殼不宜粘貼RFID標簽的設備采用懸掛射頻識別卡的方式。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 醫(yī)療設備管理軟件

設備管理軟件根據醫(yī)學裝備處需求由信息中心負責委托軟件公司開發(fā)完成。

醫(yī)學裝備處的客戶端完成設備全生命周期管理，在設備管理中可以打印設備的RFID標簽和條形碼標簽，具體軟件模塊設計，見圖4。

軟件模塊分為臨床客戶端和醫(yī)學裝備處客戶端兩種，負責設備申購前期的申請書的提交、設備的一級維護記錄、軟件報修記錄，設備臺賬查詢[7]。

3.2 手持設備系統(tǒng)任務

STM32F4系列單片機支持ucos-II操作系統(tǒng)，ucos-II多任務管理功能強大，內核精簡，開發(fā)開源，具有較好的實時性，穩(wěn)定性和可移植性。手持設備系統(tǒng)任務，見圖5。

圖5 手持設備系統(tǒng)任務圖

系統(tǒng)要實現查詢GPRS網絡、按鍵檢測、液晶顯示、射頻采集、Zigbee串口檢測、GPRS發(fā)送和接收任務。主任務完成對系統(tǒng)的串口、I/O口、RTC時鐘、液晶、SD卡等初始化并加載GUI界面。任務劃分要求每個任務相對獨立，又要保證系統(tǒng)的效率，避免因任務劃分過細造成任務頻繁調度[8]。優(yōu)先級從左向右依次遞減。

3.3 任務間的通信設計

郵箱、消息隊列和信號量是ucos-Ⅱ操作系統(tǒng)任務間通信的三種方式，并提供了相應的操作函數。在該系統(tǒng)參數傳遞中采用消息隊列來接收采集任務和發(fā)送數據任務傳來的信息，以決定是否通過GPRS發(fā)送數據和采集RFID芯片信息，無信息時釋放CPU控制。

系統(tǒng)采用全局變量在不同任務和函數中進行參數的傳遞。創(chuàng)建了4個郵箱，分別為：① IRFD_Revice_Mbox，用于接收從射頻芯片采集數據；② GPRS_Revice_Mbox，用于存儲從GPRS 返回的數據；③ Button_Touch_Mbox，用于接收觸按鍵反饋回來的數據；④ Zigbee_Revice_Mbox，用于接收來自Zigbee模塊的數據。

3.4 設備管理終端節(jié)點入網流程和GPRS入網發(fā)送數據流程

手持設備打開Zigbee功能時，程序初始化并運行協調器協議棧程序，開始組網，并等待終端節(jié)點加入；終端節(jié)點初始化并運行終端節(jié)點協議棧程序，不停的發(fā)出入網申請，當被巡檢設備的協調器節(jié)點接收后入網成功并發(fā)送采集的數據信息至協調器節(jié)點[9]；協調器節(jié)點再通過GPRS網絡上傳服務器。終端節(jié)點入網流程圖，見圖6。

圖6 終端節(jié)點入網流程圖

GPRS上電后自動尋找網絡并返回數值，通過AT指令配置傳輸協議為UDP模式，并連接遠端公網IP的服務器，連接成功后配置發(fā)送為透傳模式，任務是等待數據到來并發(fā)送。信號網絡差可能導致數據丟包問題，如果服務器未接收到數據，則不反饋握手信息，如果接收的數據是錯誤的則反饋相應的握手信息，對丟包的數據設備需檢測網絡并決定是否重新發(fā)送數據，在任務中定時查詢與服務器的連接狀態(tài)，如斷開則重新連接服務器[10-12]。GPRS入網發(fā)送數據流程圖，見圖7。

圖7 GPRS入網發(fā)送數據流程圖

4 系統(tǒng)使用情況

目前該系統(tǒng)已在29個科室試用運行，條形編碼已經覆蓋醫(yī)院1000多臺萬元以上設備，并在超聲科、血液透析科、重癥醫(yī)學科，放射科的近100臺大中型設備采用了RFID標識。終端節(jié)點環(huán)境監(jiān)測功能在超聲科進行了試運行，并取得較好效果[13-16]。如在超聲科使用手持設備上傳管理終端采集數據至服務器，再通過管理軟件查看記錄信息的情況（圖8）。

圖8 醫(yī)療設備管理軟件應用圖

5 總結與展望

本文重點介紹了手持終端的軟硬件設計開發(fā)，系統(tǒng)得到了實際應用并取得較好效果。但是在實際應用中仍然存在著很多問題：① Zigbee模塊發(fā)射的是2.4 GHz的無線信號，穿透能力比較差，很容易被遮擋衰減，在醫(yī)院室內布網效果并不好；② 管理節(jié)點的授權使用功能，受制于繼電器的參數，只能針對中小功率的醫(yī)療設備；③ 設備管理應用軟件公司在交付科室時缺乏足夠的軟件測試，軟件穩(wěn)定性差，偶爾會出現軟件程序死鎖現象。

針對上述情況，在后續(xù)的工作中繼續(xù)研究，爭取早日解決此類問題，使得系統(tǒng)在全院范圍內能夠推廣使用，促進醫(yī)院的信息化建設，提高醫(yī)療設備管理工作的效率。

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本文編輯 韓淑英

Development of Medical Equipment Management System Based on GPRS, Zigbee and RFID

MA Ji-peng, KONG De-you, LIU Xiao-xiao
Department of Medical Equipment, Affiliated Hospital of Jining Medical College, Jining Shandong 272000, China

s:ObjectiveTo design a medical equipment management system to solve the problem of the complex management for multiple types, large quantity and wide distribution of medical equipment in hospital.MethodsThe system was developed by embedded programming and database technology, which consisted of the RFID label and bar code label, the terminal management node, the routing node, the handhold equipment, the cloud server and the medical equipment management software.ResultsThe application of the system realized that more than 1000 devices of some departments in the hospital were monitored and managed and achieved good results.ConclusionThe system can be carried out on the whole life cycle of the device management, which is an effective tool for lean management to improve the management eff i ciency of medical equipment.

medical equipment management system; cloud server; RFID label; bar code label; temperature-humidity sensor

TP393.02

C

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.034

1674-1633(2017)04-0125-04

2016-08-30

2016-09-09

作者郵箱：573908266@qq.com