醫院護理呼叫通訊系統設計及防沖突算法研究

醫院護理呼叫系統是傳輸臨床信息的重要手段，是提高護理人員的工作效率和保證醫院服務質量的有效途徑，也是提高醫院信息化管理水平的重要措施。本系統采用模塊化設計，具備易操作性、易維護性、易擴展性等特點。系統采用三層結構，分別是后臺服務器層、護士工作站層和病區呼叫系統層。病區呼叫系統由一臺主機和多臺分機組成，采用RS485通訊總線相連，實現各種病房呼叫信息、衛生間呼叫信息和電生理檢測數據的采集，并通過主機和護士工作站連接。護士工作站由普通PC機組成，其功能是響應和處理各類呼叫信息。后臺服務器和護士工作站之間采用通用以太網連接，呼叫和處理信息可以以電子文檔形式存儲在后臺服務器中。本文主要討論病區呼叫系統的通訊系統設計。

　　1 通訊系統體系結構

　　一個病床呼叫分機管理一間病房的呼叫信息，包括衛生間呼叫和病床呼叫等。每個呼叫點均有呼叫按鈕、取消按鈕和LED指示燈。呼叫分機還留有電生理信息標準接口，可以連接心電圖儀、呼吸機和血壓儀等生理檢測設備，以監視和記錄病人的生理信息。病區呼叫系統主機放置在護士工作站內，負責整個系統的控制與通信。呼叫主機一邊將病房的呼叫信息傳輸到LED顯示屏上并蜂鳴提醒，一邊把呼叫信息傳輸到PC機。系統為護士工作站PC機提供良好的人機界面，可以向醫護人員顯示系統的工作狀態，病員的基本醫療信息和呼叫信息以及一些基本的處理數據功能。

　　病區呼叫系統結構如圖1所示。病區呼叫系統主機和病房呼叫系統分機以MCS-51單片機為主控制器，分機之間通過RS-485通訊總線相連。RS-485是美國電氣工業聯合會(EIA)制定的利用平衡雙絞線作傳輸線的多點通訊標準，它采用差分信號進行傳輸，具有傳輸速率高、傳送距離遠、可靠性高、擴展容易等特點。RS485通訊器件采用MAX487-CP，MAX487是MAXIM公司生產的用于RS485和RS422通信的差分總線小功率收發器，它含有一個驅動器和一個接收器，具有驅動器/接收器使能功能，輸入阻抗為1/4負載，總線節點數為128，即每個的驅動器可驅動128個標準負載。MAX487的驅動器設計成限斜率方式，使輸出信號邊沿不至于過陡，以避免在傳輸線產生過多的高頻分量，從而有效扼制了干擾現象。

　　系統通訊的數據幀格式參考 MS/TP 協議標準, 具體設計如下：

　　前同步碼 2 字節：55H，0FFH；幀類型 1 字節；目的地址1字節；源地址1字節；頭部CRC 1字節；數據 8 字節；數據 CRC 2字節。一幀數據共16字節，128位。

　　2 基于“錯時退避”策略的防沖突算法

　　在一臺病房分機請求發送數據的同時，另一臺病房分機請求發送數據，或在一臺病房分機在發送數據的過程中，另一臺病房分機請求發送數據，都就會造成通訊沖突。為了防止因通訊沖突而造成的數據傳輸錯誤，本系統參考CSMA/CD(Carrier Scnse Multiple Access /Collision Detect)技術。CSMA/CD即載波監聽多路訪問/沖突檢測，它的工作原理可用8個字來表示：“先聽后說，邊聽邊說”。病房呼叫分機在發送數據前，先檢測信道是否空閑，若空閑，則發送數據。在發送數據的同時，仍繼續監聽信道，以檢測是否存在沖突。一旦檢測到沖突，就立即停止發送，并向總線上發一串阻塞信號，通知總線上其他各有關站點停止數據傳輸。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費。CSMA/CD的工作流程如圖2所示。

　　一般而言，普通網絡上傳輸的信息量比較大，因此，普通網絡追求的是信道的使用率和信息的吞吐量。生理呼叫系統的傳輸信息量很小，系統要求的是信息傳輸的實時性，同時又互不干擾。要解決這個問題，必須盡可能避免重復沖突現象的發生。即要求如果發生多臺通訊沖突現象，各分機的退避時間應不同。本文分別討論的延時退避算法和沖突退避算法有“錯時退避”的特點，能有效地解決重復沖突問題。

　　2.1 延時退避算法

　　系統采用“先聽后說”的工作方式，分機在發送呼叫信息前，先監聽信道狀態。如果信道忙，說明有其他分機正在占用信道傳輸數據。根據前述數據幀格式，一幀數據共128位，一臺分機傳輸數據所需的時間為：T=128 bit/波特率。

　　因此，本次數據傳輸還需占用0到T的信道時間。為了避免同時監聽到信道空閑而發生的沖突現象，各分機采用下列延時退避公式決定延時監聽時間：

　　上式中，ti為第i臺分機的延時時間，n是分機的總臺數，rand(0,1)為一個0到1的隨機數，E是應急呼叫設置位(若為應急呼叫，則設置E為1)。系統將衛生間呼叫默認設置為應急呼叫，一些重癥病人的呼叫也可由系統呼叫主機設定設置為應急狀態。

　　分機i以ti的間隔時間監聽信道，當監聽到信道處于空閑狀態時，即可進行到工作流程的下一步。

2.2 沖突退避算法

　　盡管系統采用“先聽后說”的工作方式，但也可能發生兩個站點因同時監聽到信道空閑而同時發送數據的現象，即發生通訊沖突。檢測通訊沖突的方法是：發送數據的呼叫分機將接收到的信息與原來發送的信息逐個比特位進行比較，如果兩者一致，說明沒有沖突；如果兩者不一致，則說明發生了沖突。

　　造成這種通訊沖突的原因與信號在信道上的傳播時延有關。傳播時延是信號由信道上的一個站點傳播到另一個站點的時間，信息傳播時延可由式(2)計算：

　　設A、B是系統中的兩臺呼叫分機，它們之間的傳播時延是tpab。分機A檢測到信道空閑后，就發送數據；分機B在分機A開始發送數據的(0，tpab)的時間內檢測信道，由于信號還沒有傳播到分機B，因此分機B檢測到信道狀態仍處于空閑狀態，分機B也發送數據，造成通訊沖突。分機檢測到通訊沖突后，立即停止發送，并向總線上發一串阻塞信號，用以通知總線上其他各有關站點退避。沖突退避時延采用式(3)計算：

tj=tpmax(j+1-E×j)×[rand(0,1)+1]???????????????????????? (3)

　　上式中，tj為第j臺分機時延檢測時間，tpmax為任意兩個站之間的最大傳播時延，由公式(2)計算得到。E、rand(0,1)的含義同式(1)。

　　無論是(1)式還是(3)式，i( j )值小的分機先檢測信道，在數據傳輸比較繁忙的時段，i( j )值大的分機總是要持續一個較長的時延才能檢測信道，這就會造成系統中各分機競爭不均衡的現象。為了避免這種現象，我們將i( j )設置為分機檢測總線的優先級別，并把系統設置成優先級循環的工作方式。初試狀態，i( j )的值為分機編號，優先級分別為1、2、……、n。當優先級為k的分機傳輸數據后，系統主機將原來優先級為k+1至n的分機的優先級分別設置為1至n-k，將原優先級為1至k的分機的優先級設置為n-k+1至n。

　　2.3 退避算法性能分析

　　醫院護理呼叫系統的信息傳輸量很小，追求的是呼叫響應時間。為此，我們假設出現最不利的情況來分析本文算法的性能：系統共有64臺分機，設在一臺分機剛開始傳輸數據時，其它63臺分機同時申請傳輸數據。那么，傳輸64臺分機的數據的總時間t為：

　　上式中，第1項為n臺分機的數據傳輸時間，第二項為每臺分機檢測總線延時退避空閑間隔的最大值之和，第3項為每臺分機沖突退避空閑間隔的最大值之和。

　　將相關的數據帶入(4)式，得t=0.3s，完全能滿足醫院護理呼叫的時間響應要求。

　　CSMA/CD技術及相應的退避算法能有效地解決普通網絡信道占用沖突的退避問題，從而提高信道的使用率和信息的吞吐量。但小型的自組織網絡的信息吞吐量往往不大，因而信道的使用率和信息的吞吐量不是系統追求的主要目標。對于一些信息傳輸實時性要求比較高的自組織網絡，如何及時傳輸信息是提高系統性能的關鍵因素。醫院護理系統中的通訊系統采用RS485總線結構，參考CSMA/CD構建載波監聽多路訪問/沖突檢測工作原理，設計基于“錯時退避”策略的延時退避算法和沖突退避算法，有效地降低信道爭用的沖突問題。特別是處理信道爭用二次沖突方面，與一般的CSMA/CD退避算法比較，有著明顯的優勢，從而大大提高了信息傳輸的實時性。論文中的算法已應用于多家醫院和養老院的護理呼叫系統中，性能可靠，達到預期的技術指標要求。