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第九屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽─嵌入式Wi-Fi門診叫號與報到系統
 

【作者: 許永和教授】   2015年05月25日 星期一

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自從全民健保實施以來,大型醫院病患的求診人數急遽增加,也因此造成大醫院之門診等候現象,有越來越嚴重的趨勢。而病患滿意度一直是醫院服務品質的重要指標,門診滿意度相關影響因素中,候診時間過長一直為滿意度最差的項目。因此,如何有效地讓病人縮短這些等候時間就顯得格外地重要。


本作品藉由「病人為中心」為出發點來改善病患線上掛號的報到流程,並有效縮短病患的候診時間。在此,開發一套針對門診病患提供醫療相關訊息之Android App程式,其中包含「線上掛號」,「醫師看診進度」,「門診表查詢」,「醫院最新消息」以及「醫師停診公告」等功能。病人可經由Android App進行線上掛號,成功後會取得一預約序號存於有NFC裝置的智慧型裝置,然後可至醫院看診時協助進行叫號報到。而若手機沒有NFC裝置的病患,也可透過IC晶片卡來進行叫號報到的程序。同時病患可透過網路取得目前醫師門診叫號的看診人數,來提供民眾就醫時的參考。如此,對於醫院或診所的在提升醫療服務品質和病患滿意度的改善上,有著莫大的助益。


前言

由於現在智慧型手機的普及,如果能將網路掛號系統,嵌入至智慧型裝置中,民眾將不會受限於地點因素的影響。Google發佈智慧型手機使用的調查報告顯示,台灣智慧型手機使用比例持續提昇,手機普及率從去年32%提高到今年的51%,相當於每兩人就有一人使用。因此可以發現民眾依賴智慧型手機等行動裝置來連繫情感、處理日常生活事務,人與人之間透過無所不在的行動裝置,豐富了生活與工作[1]。


系統特色

在日常生活中等候幾乎是無可避免的,不管在任何服務系統都會有等候的情形。而在這分秒必爭的社會裡,如果能減少不必要的等待時間,有形中可以節省人力與物力的成本,無形中也可以增加顧客的滿意度。以下為本作品的相關特色:


創新性

*自行開發設計Android APP以符合使用者需求。


*使用Android手機的NFC裝置完成報到手續。


完整性

*設計Android APP,以簡單方便的介面供使用者操作。


*架設伺服器存取病患資料,提供看診紀錄查詢。


*配合無NFC裝置的手機,架設IC晶片卡插座。


*在叫號裝置加上蜂鳴器,以便提醒患者看診。


使用性

*智慧型手機普及,隨時可進行線上預約掛號。


*不須透過服務人員,直接使用NFC裝置或IC晶片卡即可完成報到。


*可隨時查詢醫院最新資訊,方便病患就診。


工作原理

本作品使用Holtek公司的HT66FU50與NFC裝置、IC晶片卡、樹莓派嵌入式系統、SAA1064等元件所設計而成。主要的工作原理:NFC、WiFi、樹莓派、IC晶片卡與SAA1064。


微控制器核心功能

本作品主要可以分為二大部分,第一個部分為Android裝置上的Android App應用程式,其中包含「線上掛號」、「醫師看診進度」、「門診表查詢」、「醫院最新消息」、及「醫師停診公告」等功能。第二部份為使用HOLTEK微控制器 的叫號裝置與報到裝置。


叫號裝置

叫號裝置採用一顆Holtek公司所推出的HT66FU50單晶微控制器做為核心,並且外接一顆I2C介面SAA1064的驅動器與按鍵,以及WiFi模組。整體裝置可使按鍵輸入數字時透過微控制器傳輸資料至SAA1064驅動七段顯示器顯示看診號碼,並使用WiFi模組將目前的看診號碼傳至伺服器。使用者可Android APP開啟應用程式,查看目前門診進度。


報到裝置

報到裝置同樣採用了一顆Holtek公司的HT66FU50單晶微控制器做為核心,用來接收NFC Reader所讀取到NFC裝置的資料,或是接收IC晶片卡的讀卡座所讀取到的IC晶片卡內的資料。此外,可經由WiFi模組傳至伺服器進行資料比對。當比對成功後,將報到完成訊息傳至報到裝置的LCD上,並顯示報到成功。


NFC工作原理

NFC是一種無線連接技術,可以和目前現有的非接觸式智慧卡技術相容(例如"免接觸式射頻識別RFID")。由於目前NFC已經漸漸成為多家主要廠商提供支援的正式標準。同時還是一種近距離連接協議,允許讓各種設備在彼此之間輕鬆、安全、迅速而自動的通訊和傳遞資料。而與無線世界中的連接方式相較,NFC是一種近距離的私密通訊方式。而其主要有3種用法,如下所列:


卡模擬模式(Card emulation mode)

此模式其實就是相當於一張採用RFID技術的IC卡。可以替代現在大量的IC卡,包括信用卡、悠遊卡、門禁管制或是車票等等。在種方式下,具有一個優點,就是卡片透過非接觸讀卡器的RF場域來供電,即便是寄主裝置(如手機)沒電也可以工作。NFC裝置若要進行Card Emulation 相關應用,則必須內建安全元件(Security Element, SE)之NFC晶片組。


點對點模式(P2P mode)

此模式和紅外線差不多,可用於資料交換,只是其傳輸距離較短,建立速度較快,速度也較快以及功耗低。若將兩個具備NFC功能的裝置連結,能實作資料點對點傳輸,如下載音樂,或是交換圖片等。因此,透過NFC,多個裝置如數位相機、PDA、電腦和手機之間都可以交換資料。


讀卡器模式(Reader/Writer mode)

此模式可作為非接觸讀卡器使用,例如,可從海報或者展覽訊息電子標籤上讀取相關訊息。


IC晶片卡工作原理

IC晶片卡介面通訊協定一般依CNS12971-3標準設定。而其與外界之通訊主要是透過IO PIN,RST PIN和CLK PIN等三個介面來溝通。如圖1所示,IC晶片卡在經由讀卡機取得+5V電源及CLK後,其與讀卡機之溝通的硬體連接介面。


圖1 : 讀卡機與NFC卡片連接接腳訊號示意圖
圖1 : 讀卡機與NFC卡片連接接腳訊號示意圖

在圖1中,讀卡機與IC晶片卡片通訊可分為以下幾個步驟:


1. 讀卡機由RST接腳傳送REST信號給IC晶片卡,以啟動交握程序。


2. IC晶片卡內的CPU重置各暫存器,並啟動重置來回應處理。


3. IC晶片卡經I/O埠傳送一段重置回應位元組給讀卡機,讓讀卡機了解IC晶片卡之基本參數設定。


4. 完成交握程序後,讀卡機經I/O埠傳送命令給IC晶片卡,要求IC晶片卡執行特定工作。


5. 完成工作後,IC晶片卡將執行結果及狀態回應給讀卡機。


Wi-Fi模組工作原理

在此系統中,採用HLK-RM04 UART- ETH-WIFI for Arduino的Wi-Fi模組。Wi-Fi的設置上至少需要一個接入點和一個或一個以上的基地台。AP每100ms將SSID(服務標識)經由beacons(訊號台)封包廣播一次,beacons封包的傳輸速率是1 Mbit/s。


因為Wi-Fi規定的最低傳輸速率是1 Mbit/s,所以確保所有的WiFi架構端都能收到這個服務標識的廣播封包,基地台可以就由這個決定是否要和這一個SSID的AP連線。使用者可以設定要連線到哪一個SSID。而Wi-Fi系統總是對用戶端開放其連接標準,並支援漫遊。


Wi-Fi最主要的優勢在於不需要布線,可以不受布線條件的限制,而且Wi-Fi無線電波的覆蓋範圍廣,Wi-Fi的半徑可達300英呎左右,大約100公尺。而若要使用藍牙微網路傳輸來建置的話,整個辦公室已經是極限,而Wi-Fi則可以把範圍擴大至整棟大樓[2]。


SAA1064工作原理

這SAA1064元件是PHILIPS公司生產的4位元的LED驅動器元件,其具備雙極型電路與I2C介面。SAA1064元件可支援4個七段顯示器的驅動與顯示。此SAA1064的介面為I2C傳輸模式。此外,可高達4個SAA1064元件周邊裝置可以連接到同一匯流排,因為其支援4種不同的I2C從裝置的位址。


而每段LED可單獨控制,進而驅動出所要顯示的數值或字字。此外,也可用於控制的4x8 LED和任何特定的幾何形狀。但需要注意的,是一些其他類型的顯示驅動器具有內部解碼器的BCD碼到7段,不便於控制各個LED的顯示。


此外,該元件內部具備I2C匯流排從裝置功能,可以透過ADR位址接腳的輸入電位來規劃為4個不同的I2C從裝置的位址。而內部的模式控製器可以控制LED的各個位數的驅動,並可使其工作於靜態模式、動態模式、熄滅模式及區段測試模式。


樹莓派嵌入式系統的工作原理

樹莓派(Raspberry Pi)嵌入式系統(英國的樹莓派基金會所開發)配備一顆700MHz 博通公司所出產的ARM架構BCM2835處理器,其具備256MB記憶體或512MB記憶體,並使用SD卡當作儲存媒體,且擁有一個Ethernet、兩個USB介面、以及HDMI(支援聲音輸出)和RCA端子輸出支援。其中,樹莓派嵌入式系統的電路板只有一張信用卡大小而已,且其體積大概是一個火柴盒大小,並可進行1080p影片的播放。此外,作業系統採用開放原始碼的Linux系統,如Debian或ArchLinux,且具備的Iceweasel,或KOffice等軟體能夠滿足基本的網路瀏覽、文字處理以及電腦學習的需要。


而樹莓派嵌入式系統具有一個 SPI介面,一個 I2C介面,八個 GPIO以及一組序列介面。GPIO可以驅動繼電器或者是LED,I2C介面和SPI介面可以擴展外部晶片,或是外接GPS或Arduino等模組以延伸其他的功能與應用。


作品結構

硬體部分

如圖2所示,為本作品之系統架構圖。由報到裝置、叫號裝置、醫療資訊儲存伺服器及智慧型行動裝置組成。


其中,病患可使用手機APP應用程式進行線上掛號。當掛號完成後,系統會給予一組序號儲存於有NFC裝置的智慧型裝置。因此,病患到院時可直接使用NFC裝置進行報到。但若無NFC裝置的手機也可使用IC晶片卡進行報到。此外,在等待看診的時間時,病患只要隨身攜帶智慧型行動裝置,就能隨時觀看智慧型行動裝置所顯示的叫號資訊,得知目前排隊的進度,再以適當的時間回到醫院,避免浪費不必要的等候時間。


如圖3所示,為叫號裝置使用介面之方塊圖,如圖4所示,則為報到裝置使用介面之方塊圖。



圖2 : 系統架構圖
圖2 : 系統架構圖

圖3 : 叫號裝置硬體方塊示意圖
圖3 : 叫號裝置硬體方塊示意圖

圖4 : 報到裝置硬體方塊示意圖
圖4 : 報到裝置硬體方塊示意圖

軟體部分

如圖5所示,為一病患到院就診報到之流程圖。其中,等待病患完成報到動作後,將開始傳輸報到資料至伺服器確認病患資料,若報到確認成功,則進入門診看診直到看診完畢,當看診完畢後,將等待下一個病患的報到資料傳送。



圖5 : 系統流程圖
圖5 : 系統流程圖

測試方法

本作品是透過NFC Reader與IC晶片卡進行報到將訊息傳至伺服器,並使用UART傳輸方式測試和驗證。本作品之實際測試方法如下所列。


測試傳輸格式

如圖6所示,為IC晶片卡所傳輸的資料。其中,透過UART將IC讀卡機所讀取到的資料,傳送至伺服器,進行資料比對,而當比對成功則完成報到步驟。



圖6 : NFC Reader所傳輸的格式示意圖
圖6 : NFC Reader所傳輸的格式示意圖

SAA1064傳輸格式

如圖7所示,為SAA1064的I2C介面傳輸格式,按照格式分別輸入從位置,指令,控制七段指令,七段顯示器資料。在此,使用孕龍分析儀檢測傳輸的格式是否正確,並能正確地將數字顯示在七段顯示器上。如圖8所示,為當資料位元輸入想要顯示的數字時,所呈現在七段顯示器上的數字。



圖7 : SAA1064傳輸格式示意圖
圖7 : SAA1064傳輸格式示意圖

伺服器建立

如圖8所示,為伺服器建立資料的畫面。其中,建立.php檔後,即可使用APP應用程式來讀取伺服器的資料,並顯示在APP上。如圖9所示,為建立.php檔後所顯示的網頁畫面。



圖8 : 伺服器資料建立圖
圖8 : 伺服器資料建立圖
圖9 : 資料顯示畫面圖
圖9 : 資料顯示畫面圖

Android應用程式設計

如圖10所示,本作品以Android應用程式設計圖形化介面,使用者在開啟Android應用程式後,可在主選單上選擇所需要使用的功能。以下,為各個功能的介紹:


圖10 : 用程式主選單示意圖
圖10 : 用程式主選單示意圖

預約掛號

為預約掛號的畫面。使用者按照畫面上之步驟進行掛號後,按下送出資料鍵,便可完成掛號程序。


門診查詢

為門診查詢的畫面。使用者可透過此功能了解各科別醫師是否有看診的狀況,以免碰到不是自己想選的醫師。


看診進度

為看診進度的畫面。使用者可經由此功能得知目前的號碼已到幾號,是否接近自己的看診號碼,可趕緊到門診外等候,以免錯過自己的號碼,增加在醫院的等候時間。


異動公告

為異動公告的畫面。使用者可使用異動公告之功能,觀看醫師是否停診或是請代理醫師看診的狀況,再決定是否選擇此時段看診。


結論

本作品為了讓病患能夠在短時間內完成報到手續,使用了NFC裝置與IC晶片卡的報到方式。使用者只要執行一個IC晶片卡的偵測動作,即可完成報到程序,不須把時間浪費在長時間的排隊等候上。


此外,在手機裡安裝APP應用程式,即可進行線上預約掛號、門診查詢、異動公告、看診進度等功能,達到只要打開手機裡的程式就能掌握目前醫院的近況。


最後,在這個人手一機的時代裡,為了讓民眾能更方便更快速地完成所要執行的事情,因此開發此套系統,並可提供給目前診所與醫院使用。


(作者許永和為國立虎尾科技大學資訊工程系教授;邱敬育、劉育如、顏宏儒、蘇孝駿為國立虎尾科技大學資訊工程系研究生)


參考文獻

[1] 台灣智慧型手機普及率已達51%


http://www.ithome.com.tw/node/82029


[2] Wi-Fi


http://zh.wikipedia.org/wiki/Wi-Fi


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