基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統設計*

劉煥舒 李 碩 鄭之國*

基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統設計*

劉煥舒①李 碩②鄭之國①*

目的：設計基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統，提出物聯網技術用于結核病實驗室設備管理中的具體方案。方法： 基于無線移動終端的數據采集技術、無線局域網技術、射頻識別(RFID)技術以及計算機技術，采用Web應用系統架構搭建設備管理系統，實現實驗室內部設備信息共享與管理。結果：基于物聯網技術的結核病實驗室設備管理系統利用RFID和二維碼進行智能識別，實現對設備的識別、定位與跟蹤，構建了由用戶登錄模塊、設備管理模塊、設備臺賬管理模塊以及公共事務工作流管理模塊等組成的系統架構。經初步運行，取得了入賬效率高、便于數據查詢、更新和統一管理、可動態維修信息監控、實時設備定位以及利于生物安全管理等良好的效應。結論：基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統及相關技術環節的應用方案，能夠實現對實驗室設備的識別、定位與跟蹤，可有效提升實驗室設備管理智能化程度和實驗室管理效率的整體水平。

物聯網；射頻識別；二維碼；結核病實驗室；設備管理；數據庫；信息技術

[First-author’s address]Beijing Research Institute for Tuberculosis Control, Beijing 100035, China.

中國是世界上結核病、耐藥結核病高負擔國家之一[1-3]。實驗室診斷是結核病控制工作前提和必要條件，在結核病診斷、療效評估、流行病學調查以及控制策略過程中發揮著重要作用。結核病實驗室的建設離不開醫療設備，而醫療設備具有種類多、數量大、使用周期長、價格昂貴、地點分散及管理難度大等特點[4]。結核病實驗室的性質決定了設備的使用需要滿足嚴格的生物安全要求，并成為實驗室動態管理的一大挑戰[5-8]。目前，隨著醫療信息化水平的提高，部分實驗室已經實現了管理的條碼化，在一定程度上減輕了勞動強度，但是仍存在設備定位困難、信息易出差錯等問題，從而造成工作效率低、失誤率高的情況[9]。因此，需要對設備進行實時追蹤和管理，科學有效地管理醫療設備[10]。運用先進的信息技術手段對醫療設備自動實時跟蹤、定位尤為重要，既可以避免設備巡檢和維護工作的疏漏，還可以極大提高醫療設備在使用中的效率，改變當前醫療設備難以精確管理的現狀。本研究設計一套基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統，并提出物聯網技術應用于結核病實驗室設備管理中的具體方案。

1 實驗室設備管理系統總體設計

1.1 體系架構設計

結核病實驗室設備種類多，分布范圍廣，通過運用物聯網技術實現高效科學的實驗室管理能夠最大限度地節約人力、物力和財力成本，提高工作效率、管理水平和管理效能，真正實現實驗室設備的精細化管理，提高實驗室設備管理的準確性，使設備充分利用，安全有效運行，從而保障結核病實驗室的生物安全[11-13]。本研究設計的基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統是在傳統系統的基礎上，將基于無線移動終端的數據采集技術、無線局域網技術、射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術以及計算機技術相結合，實現對實驗室設備的移動化和智能化管理。系統采用Web應用系統架構，搭建數據層、應用層及表示層三層系統結構，實現數據流和應用流的高內聚、低耦合。系統總體架構如圖1所示。

圖1 結核病實驗室設備管理系統總體架構圖

(1)硬件結構。基于物聯網技術的結核病實驗室設備管理系統的硬件包括服務器、管理機、RFID標簽、二維碼標簽以及手持移動式讀寫器等。其中，服務器是整個管理系統的核心部分，包括數據庫服務器、應用服務器和Web服務器；管理機用于管理員操作后臺管理系統；RFID標簽用于提供設備識別的唯一編碼，記錄設備關鍵信息；手持式讀寫器用于對設備信息采集、設備變動、檢修及盤點。

(2)軟件設計。本系統采用Web應用系統架構，數據統一存放在數據庫服務器中，Web通過應用服務器操作數據庫表。在系統開發過程中，采用模塊化設計，這有利于各功能的完善性及可擴充性。根據實際調研，系統功能模塊包括：①公共事務管理模塊；②資源管理模塊；③系統管理模塊。其中，資源管理模塊又可以分為設備臺賬管理、設備管理和實驗室管理3個子模塊，每個子模塊下都包含了不同的功能，以充分實現儀器設備的智能化與網絡化管理。

1.2 數據庫設計

主題數據庫設計為基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統的核心部分，是系統設計的關鍵部分之一。數據庫設計是對數據資料進行分析、加工和整理，確定數據的管理模式和邏輯結構的過程。對系統數據庫的合理設計，可以減少數據冗余量、提高執行速度和數據庫的穩定性以及實現數據共享。本系統數據庫設計表包括系統數據字典表、設備基本信息表、設備盤點表和設備報廢表，數據庫設計表的數據內容及數據關系如圖2所示。

圖2 數據庫設計表示意圖

2 實驗室設備管理系統功能設計

2.1 標簽編碼設計方案

(1)RFID標簽。本系統采用的RFID標簽是超高頻(ultra high frequency，UHF)無源電子標簽，UHF電子標簽具有識別距離遠、識讀率高、防沖突能力強及可擴展性好等特點，讀卡距離達3～10 m，每秒可讀100張卡，目前，UHF電子標簽應用的標準主要是電子產品代碼(electronic product code，EPC)標準[14-15]。本系統采用的EPC是標準96位碼(EPC-96)。

RFID標簽內可以存放與設備相關的信息，本系統設計使用前6位存放實驗室科室代碼，7～16位存放資產分類代碼、17～24位存放設備分類、25～54位存放設備編碼、55～64位存放計量單位，最后剩余32位作為數據位可存放其他設備信息(見表1)。

系統中RFID標簽的損壞、丟失等問題通過軟件控制加以解決，系統具有替換標簽ID功能。

(2)二維碼標簽。二維條碼和(或)二維碼是用某種特定的幾何圖形按一定規律在平面(二維方向上)分布的黑白相間的圖形記錄數據符號信息。在代碼編制上巧妙地利用構成計算機內部邏輯基礎的“0”、“1”比特流的概念，使用若干個與二進制相對應的幾何形體來表示文字數值信息，通過圖像輸入設備或光電掃描設備自動識讀以實現信息自動處理[16-17]。本系統采用快速反應(quick response，QR)二維碼。

表1 實驗室設備管理系統的EPC編碼規范

在本系統中，二維碼標簽是在無RFID讀寫設備情況下通過具備二維碼讀頭的手機等設備獲取信息的一種手段，其在RFID標簽的封裝表面另外打印出來的圖案。根據二維碼圖案大小，系統設計的二維碼標簽內容只存放與設備相關的固定信息，包括設備編號、設備名稱、設備類型、供應廠商、購買日期、代碼及使用年限等。對于與設備相關的經常需要變動的信息，記錄在后臺數據庫中以便隨時維護。

2.2 用戶登錄模塊

用戶登錄模塊功能主要是獲取登錄者的身份和驗證密碼的正確性，對設備用戶和實驗室管理員以外的用戶進行限制登錄。用戶成功登錄后要根據登錄者的身份不同，分別進入相應的操作界面，完成對應的界面初始化。系統客戶端具有相同的功能模塊，系統根據用戶賬號判定用戶權限，進入相應權限的界面，用戶可在其權限內進行相應的菜單操作。模塊流程如圖3所示。

2.3 設備管理模塊

設備管理模塊主要處理儀器設備在使用中的使用日期、使用次數及使用人員等數據錄入；使用人員通過登錄系統填寫相應設備使用表單，對設備使用進行跟蹤管控。模塊流程如圖4所示。

圖3 用戶登錄模塊流程框圖

2.4 設備臺賬管理模塊

設備臺帳生命周期流程是設備從運進到安裝再審計、使用、檢修以及報廢的生命過程。設備臺賬管理模塊流程。設備臺帳模塊不論是從數據還是操作都為整個流程功能提供了功能支持，在每一個生命環節操作人員都可以對設備進行相應的操作(如圖5所示)。

圖5 設備臺賬管理模塊流程框圖

2.5 公共事務工作流管理模塊

系統提供的公共事務工作流管理模塊，使實驗室內部的諸多表單進行在線流程處理，以解決手工處理工作流程的不便，有效避免了無法對整個流程狀況進行有效跟蹤、了解以及出現人為失誤所導致的效率低下，尤其是避免了無法進行量化統計、不利于查詢、報表及績效評估等問題(如圖6所示)。

圖6 公共事務工作流管理框圖

3 實驗室設備管理系統應用效果

實驗室設備管理系統界面采用簡潔明快的設計風格，功能布局清晰，業務流程采用模塊化呈現，使用戶操作簡單，具有較好的人機交互性，系統首頁界面設計如圖7所示。

通過實驗室設備管理系統進行設備管理，使設備入賬效率顯著提高。在日常實驗室管理工作中，與以往采用傳統紙質賬表、手工填寫的管理方式相比，設備入賬工作時間減少50%以上，且便于數據查詢、更新和統一管理。同時，系統具備的動態維修信息監控和實時設備定位功能，有利于生物安全管理。設備管理操作界面如圖8所示。

圖7 系統界面首頁設計界面圖

圖8 設備管理操作界面圖

4 實驗室設備管理系統應用優勢

基于物聯網技術對醫學設備管理，運用RFID技術、二維碼技術，完成了醫學設備的識別、定位與跟蹤，提升了智能化程度。在結核病實驗室中有效地提高了管理效率和整體水平，其應用優勢主要表現在下述方面。

(1)提高醫學實驗設備的入賬管理水平。通過對設備進行安裝RFID電子標簽、二維碼標簽，有效地記載了設備的編號、設備名稱、設備類型、供應廠商、購買日期、代碼以及使用年限等基本信息，通過讀卡器或終端掃描識別傳輸到設備管理系統，高效地實現了醫學設備的入賬，便于數據查詢、更新和統一管理。

(2)完善對實驗設備的全程維護管理。通過系統準確記錄了設備的使用周期中的全部維修信息。因設備故障而進行維修或更換部分硬件時，需通過系統獲取實驗設備的相關信息，記錄維修配置信息，備注故障現象原因和解決方案。同時，后臺控制系統根據設備特點、使用頻率等信息預測出設備可能出現故障的時間點，定時提醒實驗管理人員對實驗設備進行檢測，并將檢測后相關信息存儲到RFID電子標簽中，返回到后臺控制系統，以便更準確的預測故障時間點，從而有效地提高設備的檢測維護工作效率。

(3)增加實驗設備的跟蹤定位。利用物聯網技術，及時掌握設備的位置，可實現對儀器設備的識別與跟蹤，避免在傳統管理方式下易出現的設備外借、私自挪用及外出維修而造成的信息管理缺陷。對外借和外出維修設備設置歸位期限，并在期限期滿前短信提醒相關責任人，以便及時了解設備的狀態，及時歸位。

(4)實現設備使用過程管理的電子化。對于實驗室設備使用過程的管理，通過系統實現對開設的實驗項目、實驗類別及實驗人數等進行統計分析，尤其是大型精密儀器設備的使用記錄更要詳細登記臺帳。未來還可考慮利用物聯網的傳感器，根據每臺設備芯片的記錄信息實時了解每臺設備的使用情況，使設備的故障原因有據可查。實現實時對設備的運行狀況進行監測，一旦關鍵參數發生異常，將其狀況進行判斷，并發出預警信息，實時跟蹤設備的運行狀態。

(5)有利于加強結核病實驗室安全管理。結核分歧桿菌屬于二類傳染性病原微生物，通過呼吸道傳播，由于結核病與艾滋病的雙重感染以及耐多藥結核病的逐步蔓延，結核病醫院及實驗室面臨嚴重的生物安全風險。通過基于物聯網的結核病實驗室管理系統能夠有效規范儀器設備全生命周期的管理，有利于高水平的落實結核病實驗室安全管理措施。

5 結語

物聯網的智能感知能力、快速信息傳輸能力以及強大的數據處理能力將使實驗室管理水平得到質的飛躍。本研究設計的一套基于物聯網的結核病實驗室設備管理系統，提出了物聯網技術在結核病實驗室設備管理中的應用方案，是對物聯網在結核病實驗室設備管理的有益實踐。

[1]Zhao Y，Xu S，Wang L，et al.National survey of drug-resistant tuberculosis in China[J].N Engl J Med，2012，366(23)：2161-2170.

[2]World Health Organization.Global tuberculosis report 2013[R].Geneva：World Health Organization，2013.

[3]張立群，劉一典，朱有生，等.我國結核病臨床診治的回顧與展望[J].中國防癆雜志，2014，36(9)：769-773.

[4]李敏，楊方，郭元星，等.論醫療設備管理與醫院效益[J].醫療衛生裝備，2007，28(5)：53-54.

[5]吳敏.結核病院實驗室人員的生物防護與管理[J].公共衛生與預防醫學，2008，19(2)：100-101.

[6]唐鷹.基層疾病控制中心結核病項目實驗室生物安全問題的探討[J].中華疾病控制雜志，2010，14(2)：98-98.

[7]鄧海清，楊蕾，陳成，等.結核病細菌學實驗室設置要求探討[J].中國防癆雜志，2015，37(2)：117-121.

[8]吳龍章，鐘炳棠，劉燕文，等.對《結核病診斷細菌學檢驗規程》的一點看法[J].中國防癆雜志，2012，34(3)：192-193.

[9]周曉萍，祁增凌，余元龍，等.醫院醫療設備綜合管理初步探討[J].臨床醫學工程，2011，18(12)：1959-1961.

[10]王一棟，陳剛，牛偉新，等.醫院設備信息化管理及系統架構設計[J].中國醫學裝備，2016，13(3)：43-46.

[11]曹鴻遠，王槐堂.結核病實驗室安全管理[J].臨床肺科雜志，2012，17(8)：1525-1526.

[12]姚蒸.析基層結核病實驗室的防護與安全管理[J].中國醫藥指南，2013(21)：786-787.

[13]劉亞芹，楊振斌，馮冬霞.結核病實驗室信息管理系統的開發和應用[J].臨床檢驗雜志，2014(6)：466-467.

[14]王占峰，沈暉，熊文偉.基于RFID技術的資產管理系統設計與實現[J].物聯網技術，2012，2(3)：73-75.

[15]黃玉蘭.基于物聯網的RFID電子標簽研究進展[J].電訊技術，2013(4)：522-529.

[16]王毅.二維條碼技術應用及標準化狀況介紹[J].中國標準化，2006(5)：24-25.

[17]楊軍，劉艷，杜彥蕊.關于二維碼的研究和應用[J].應用科技，2002，29(11)：11-13.

Design of the tuberculosis laboratory equipment management system based on internet of things/

LIU Huan-Shu, LI Shuo, ZHENG Zhi-guo// China Medical Equipment,2016,13(12):124-128.

Objective: To design a tuberculosis(TB) laboratory equipment management system based on Internet of Things (IOT), and put forward the specific plan of IOT technology used in TB laboratory equipment management. Methods: Bases on data acquisition technology, wireless mobile terminal based on wireless LAN technology, radio frequency identification (RFID) technology and computer technology, the Web application system architecture built equipment management system to realize internal information sharing and management of laboratory equipment. Results: The tuberculosis laboratory equipment management system using RFID networking technology and 2-dimensional bar code identification based on recognition, positioning and tracking of equipment, built system architecture by the user login module, device management module, equipment ledger management module and public affairs workflow management module. It has high efficiency, and is convenient for data query, updating and unifying management, information monitoring, real-time dynamic effect of maintenance equipment for positioning and bio safety management. Conclusion: The application of program links TB laboratory equipment management system networking and related technology based on IOT can achieve recognition, positioning and tracking of laboratory equipment, and also can effectively improve the overall level of laboratory equipment management intelligence and laboratory management efficiency.

Internet of Things; Radio frequency identification; 2-dimensional bar code; Tuberculosis laboratory; Equipment management; Data bank; Information technology

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.036

1672-8270(2016)12-0124-05

R197.324

A

2016-10-30

首都衛生發展科研專項(2011-1012-01)“耐多藥結核病患者分類治療管理模式的研究”

①北京結核病控制研究所 北京 100035

②中國信息通信研究院 北京 100191

*通訊作者：zzg_80@126.com

劉煥舒，女，(1989- )，本科學歷，助理工程師。北京結核病控制研究所，從事醫療設備采購、維護及質量控制管理工作。