基于CAN总线和无线技术的输液网络监控系统

摘要：为实现大中型医院静脉输液网络化与智能化，设计了一种利用CAN总线和无线技术的输液监控系统。该系统包括执行机节点、CAN总线网络、主节点、无线数据收发系统、控制主机等。无线通信模块采用2．4 G的nRF2401通信芯片，而CAN总线通信模块采用SJA1000和PCA82C25 0，通过单片机控制，实现与其他节点通信。试验表明所设计的CAN总线和无线通信系统均能正常工作，数据传输错误率为0％。
关键词：CAN总线；无线技术；输液监控；nRF2401；SJA1000

    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
    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2．4 G的nRF2401通信芯片，而CAN总线通信模块采用SJA1000和PCA82C 250，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5 V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nRF2 401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％。