作者：丁效军，郑理华

[ 摘要 ] 目的：解决目前医疗设备管理方面存在的管理混乱、查询统计不便、无法掌握具体位置信息等问题。

 方法：对医疗设备 RFID 标签的设计方案与应用形式进行研究和讨论，从软件和硬件 2 个方面进行了研究，设计了方案的总体结构，分析了其工作原理，采用非接触式充电的模式，有效地延长了 RFID 的生命期限。

结果：设计了有源 RFID 标签方案。

 结论：该标签的设计大幅提高了医疗设备的管理效率。

引言无 线 射 频 识 别 （ radio frequency identification ，RFID ）技术是目前应用较为广泛的识别技术 [1] 。

 与以往的电子标签不同， RFID 可以识别有效距离大的光学系统，同时， RFID 标签可以多次读写，还可以存储大量的数据信息，已被应用于自动收费、物流管理、食品安全跟踪等多个领域。

 医疗设备是医院的重要资源，其种类繁多、不易管理、对于大型的三甲医院来说，医疗设备的管理显得更为重要。

 医院的信息化建设越来越重视 RFID 技术的应用，加之医疗设备的使用年限较长，所以对 RFID 标签的有效生命期要求较高 [2] 。

 目前，很多有源的 RFID 标签使用时间有限，当电量用尽时需要更换电池， 或者更换新的 RFID 标签，降低了工作效率，也造成了一定的浪费，而且当电量降低时， RFID 标签的识别可靠性也将受到影响，造成整个 RFID 医疗设备管理系统出现错误。

 本文针对这一问题，设计并实现了一种非接触式充电的电子标签，方案设计了 2 种工作方式，在降低标签功耗的同时， 还可以通过天线实现对标签电池的充电功能，使RFID 标签的使用寿命得到延长， 从而保证了基于RFID 标签的医疗设备管理系统的正常运行。

1 RFID 标签的重要作用RFID 标签可应用于医疗信息化领域中的各个方面。

由于标签中可以存储大量的数据信息，同时可以实现非接触式的信号接收，因此，可应用于病患管理、医疗设备管理、医疗垃圾管理等方面 [3] 。

在病患管理方面， 可为每一名患者分配一条带有 RFID 标签的腕带， 其中记录着该患者的所有重要信息，包括病历、用药情况等，医生在对其进行查房和诊断时， 可通过带有 RFID 信号接收功能的个人数字助理获取该患者的相关信息， 从而更好地提供诊疗服务。

 同时，利用 RFID 的空间定位功能，也可对重要病患进行实时跟踪，防止意外发生 [4] 。

在医疗设备管理方面，对于输液泵、轮椅等可移动的医疗设备，可利用 RFID 对其进行定位，降低丢失的可能性；对于 CT 机、核磁共振仪等相对固定的设备， 可利用 RFID 记录其相关信息， 包括配备时间、维护记录、性能指标等，一方面可以通过计算机系统对这些信息进行读取和管理， 另一方面可以根据维护计划及时地对仪器设备进行检修， 以保证其正常的工作状态 [5] 。

在医疗垃圾处理方面， 可利用 RFID 标签对垃圾整个处理流程进行管理。

由于医疗垃圾的特殊性，要求其处理流程必须在监管下进行， 而 RFID 可以记录每一袋垃圾的相关信息， 追踪和监测各个处理环节，防止交叉感染和丢失情况的发生 [6] 。

在以上诸多应用中， RFID 标签的有效作用时间是系统重要的性能指标， 特别是对于医疗设备的管理， RFID 标签的有效期长度， 决定了医疗设备管理系统的可用性。

2 RFID 标签硬件设计方案本文讨论的 RFID 标签硬件的构成包括微处理器、射频收发、无线接收 3 个主要部分，其结构如图1 所示。

其中， 微处理器的功能包括配置射频模块的参数，处理 RFID 标签与读写器之间的信息，响应比较器的请求和定时器的中断事件， 读取或者改写闪存芯片中的内容； 射频收发部分与外界的数据交互是通过 GMSK 的调制方式实现对信号的编码和解码操作，并通过天线发送和接收信号；无线接收部分与微处理器部分是通过单片机 MSP430 中的比较器进行连接，通过向单片机发送中断信号，使其进入充电的工作模式，通过倍压整流电路，产生足够的电压，对RFID 标签中的电池进行充电操作。

2.1 微处理器部分微处理器部分是整个 RFID 标签的控制中心，采用的处理芯片是 MSP430F147 ， 该芯片由 TI 公司出品。

该单片机的突出特点是功耗很低，使用者可根据外围设备的实际工作需求， 编写相关的指令对单片机中的时钟进行控制，从而根据实际的使用需求，调度系统资源使 RFID 标签系统的功耗降至最低。

MSP430F147 单片机可以响应中断信号，使系统进入不同的工作状态，节省功耗。

 本文设计的 RFID 标签系统， 中央处理器在不需要工作的情况下， 处于LPM3 的休眠状态，此时功耗最低，当单片机中的比较器中断端口接收到唤醒信号时， 立即进入工作状态，完成 RFID 信号的收发和数据交换，一旦完成了相关工作，系统将再次进入休眠状态。

 由此可见，本设计方案中的中央处理器只在需要时才被激活，相比于长期待命状态的 RFID 标签，其功率大幅降低，耗电更少，从而延长了电池寿命。

2.2 无线射频收发部分无线射频收发模块主要负责 RFID 标签与外部设备的信号与数据交互， 本设计中采用的是 Nordic公司的 nrf2401 芯片，该芯片采用的信号调制方式为GMSK ，工作于 2.4 GHz 频段。

 该芯片提供了程序开发的 API 接口， 开发者可对其通信频率和输出功率进行控制。

与方案所选用的单片机特点相同，该芯片的功耗很低，且具有多种工作模式 [7] ，开发者可根据需要进行编程， 控制射频收发部分的系统结构如图2 所示进行。

射频收发部分与微处理器部分之间是通过 SPI模式连接的，具有多种通信工作模式。

在本方案设计中，采用的 ShockBurstTM 收发模式利用了芯片内部的 FIFO 堆栈，数据低速进入，并以 1 Mbps 的速度进行发射，而所有的信号处理操作都在片内完成 [8] ，这一设计使得系统的能耗进一步降低。

2.3 无线接收部分无线接收部分的一个重要功能是对 RFID 标签的电池进行充电操作，以延长标签的使用寿命。

无线接收部分主要包括天线、天线适配器、倍压整流电路3 个组成部分，如图 3 所示。

图 3 中，左半部分是天线适配电路，微调电容 C 1的功能是对天线谐振的状态进行调节； 右半部分为倍压整流电路，可将电压放大 4 2姨倍，即如果天线适配输出的电压为 E ，则图中 INT 端和 GND 端之间的电压值为 4 2姨 E 。

无线接收部分与微处理器之间是通过 INT 端与单片机中比较器中断端口进行连接的， 当从天线适配电路中输出的电压经过倍压整流电路后得到的值大于阈值电压时， 则会触发单片机中断， MSP430 单片机进入工作状态， 在完成了信号收发与数据传输工作后，单片机再次进入休眠状态，以降低运行功耗。

 当单片机处于工作状态时， 由于INT 与 GND 之间的电压足够大， 从而可以对 RFID标签中的电池进行充电操作， 从而使 RFID 标签的有效使用时间更长。

3 RFID 标签软件设计RFID 标签的软件设计方案包括 2 个主要的部分，分别是系统参数的设置和对中断的响应，其程序的流程如图 4 所示。

系 统 参 数 的 设 置 主 要 完 成 的 工 作 包 括 对MSP430 单片机内部各寄存器的初始化设置、时钟模式和参数的设置、 nrf2401 片内寄存器的设计、比较器和定时器的设计等。

 根据软件的设计， 本文研究的RFID 标签设计了 2 种工作模式， 当定时器中断发生时， RFID 标签中的中央处理器被唤醒，但此时标签只发送标签内的内容，用于对医疗设备进行管理以及跟踪，当发送完成后，系统立即进入休眠的状态；而当比较器中断出现时， RFID 标签不仅会发送标签中的标志内容，而且还会打开接收天线，一方面可以根据接收到的读写信号，对 Flash 中的数据进行更改，另一方面可通过倍压整流电路对电池进行非接触式的充电，所有的工作完成后，系统又将进入休眠状态。

4 应用效果基于本方案设计的 RFID 设备标签， 已经在本院 800 多台大型医疗设备上使用。

 使用时间最长的标签已 达 2 a ，期 间 共 计 进 行 了 4 次 设 备 点 验 ，相对于普通标签， 该 RFID 标签大大节省了点验时间，设备定位精度与点验率大大提高，取得了良好的使用效果，达到了该标签的设计目的。

5 结语本文针对目前 RFID 标签设计中存在的电池使用寿命不长，导致医疗设备管理不到位、可靠性不高等缺陷， 设计了超低功耗、 可进行非接触式充电的RFID 标签系统，分析了其工作原理，对其硬件结构和程序实现流程进行了说明。