無線組網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測中的設(shè)計與應(yīng)用

陳 斯 潔

(復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院 上海 200040)

無線組網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測中的設(shè)計與應(yīng)用

陳 斯 潔

(復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院 上海 200040)

智慧醫(yī)療系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型應(yīng)用場景?；赯igBee通信網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)遵循物聯(lián)網(wǎng)的感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)體系，系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集層、中間件層和Web應(yīng)用層。該系統(tǒng)的設(shè)計模型實時串聯(lián)三層應(yīng)用，性價比高、魯棒性強。實驗表明，該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)級、特征級、決策級三級數(shù)據(jù)聚合，錯誤幀的檢出準(zhǔn)確率提高了3%～5%，為智慧醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計提供了一種新的設(shè)計模型。

ZigBee 傳感網(wǎng)絡(luò) 智慧醫(yī)院

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，醫(yī)院信息化與物聯(lián)網(wǎng)之間關(guān)聯(lián)性越來越緊密。智慧醫(yī)療系統(tǒng)中融合著多樣的物聯(lián)網(wǎng)場景技術(shù)如數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)控、過程控制與跟蹤追溯等。在醫(yī)院環(huán)境監(jiān)測管理范圍內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要包括基于傳感技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測涉及空調(diào)風(fēng)量、光通量、環(huán)境溫度與濕度監(jiān)測等醫(yī)院樓宇的智能控制。如何選擇一種低成本、低功耗、便攜的無線連接技術(shù)是能否成功有效建設(shè)醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，作為其重要分支的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也不斷更新。經(jīng)過多次實驗與選型，認(rèn)為在無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)相對具有應(yīng)用成本優(yōu)勢，且完全能滿足醫(yī)院智慧園區(qū)的無線組網(wǎng)需求。

智慧醫(yī)院的物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)劃分成感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[1]，以實現(xiàn)信息感知與物物交互的應(yīng)用[2]。基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的的智慧醫(yī)療系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集、中間件、Web應(yīng)用的三層物聯(lián)網(wǎng)信息模型[3]，其總體示意結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 醫(yī)院無線物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

其中數(shù)據(jù)采集感知層使用智能傳感器采集信息并控制對象。傳輸層通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接入智能網(wǎng)關(guān)，將數(shù)據(jù)傳輸至嵌入式全可編程應(yīng)用開發(fā)平臺進行數(shù)據(jù)處理，通過網(wǎng)絡(luò)方式反饋給應(yīng)用層。視頻監(jiān)控則直接采用視頻播放插件與Web頁面交互[4]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計概述

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計中參考了物聯(lián)網(wǎng)通用需求，參照電信網(wǎng)演進的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[5]，系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)三層體系結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)總體設(shè)計方案采用三層結(jié)構(gòu)，分別為Web應(yīng)用層、中間件層和數(shù)據(jù)采集層。Web應(yīng)用層的功能主要為用戶提供交互界面，查看數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理；中間服務(wù)層包括嵌入式中控服務(wù)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和視頻監(jiān)控插件，其功能是實現(xiàn)對硬件層采集數(shù)據(jù)的處理，并按應(yīng)用層兼容的格式進行打包，然后傳遞給Web應(yīng)用層，既為Web應(yīng)用層提供接口，又銜接了硬件層的接口；數(shù)據(jù)采集層實現(xiàn)了對原始數(shù)據(jù)的采集和錄制，采集的數(shù)據(jù)包括溫度值、濕度值、風(fēng)速值、風(fēng)向值等。

系統(tǒng)流程如圖3所示，Web應(yīng)用層響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)送過來的CGI命令請求。CGI控制器解析命令請求，把命令加入共享隊列，命令解析服務(wù)器從共享隊列中獲取命令并解析，發(fā)送至串口。ZigBee協(xié)調(diào)器從串口接收命令并廣播發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee設(shè)備節(jié)點控制器接收匹配的命令，執(zhí)行設(shè)備操作。ZigBee控制器返回操作結(jié)果，廣播發(fā)送至協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器從網(wǎng)絡(luò)接收操作結(jié)果，發(fā)送至串口。命令解析服務(wù)器從串口獲取操作結(jié)果并解析，返回共享隊列,CGI控制器獲取操作結(jié)果，返回給Web應(yīng)用層。

圖3 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 Web應(yīng)用層設(shè)計方案

Web應(yīng)用層的主要任務(wù)是響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)送過來的HTTP和CGI請求，提交從中間件層所獲取的設(shè)備層的傳感器采集數(shù)據(jù)；提供用戶登錄、用戶注冊、設(shè)備操作、視頻監(jiān)控、條碼操作、系統(tǒng)設(shè)置等界面，將用戶信息和系統(tǒng)配置寫入數(shù)據(jù)庫等，主要包含系統(tǒng)登錄和注冊流程、天氣預(yù)報和環(huán)境監(jiān)測流程、設(shè)備操作流程、視頻監(jiān)控流程、條碼操作流程、系統(tǒng)幫助流程、系統(tǒng)設(shè)置流程，圖4為設(shè)備操作對應(yīng)的軟件流程圖示例。Web應(yīng)用層包含的軟件接口部分功能說明見表1。

圖4 設(shè)備操作流程圖

功能函數(shù)登錄說明系統(tǒng)登錄頁面index.htmlfunctionlogin_handle()系統(tǒng)登錄驗證函數(shù)用戶注冊頁面register.htmlfunctioncheck_name()檢查用戶名函數(shù)functioncheck_password()檢查密碼函數(shù)functioncheck_repassword()檢查重復(fù)密碼函數(shù)functioncheck_email()檢查郵件地址格式函數(shù)系統(tǒng)主頁面main.htmlfunctionrealtime_detect()環(huán)境實時監(jiān)測函數(shù)設(shè)備操作頁面device_operation.htmlfunctiondevice_operation()設(shè)備操作函數(shù)視頻監(jiān)控頁面realtime_monitor.htmlFunctioninitialize_monitor()初始化視頻監(jiān)控函數(shù)

2.2 中間件設(shè)計方案

中間件層包括Appweb服務(wù)器、CGI命令控制器和命令解析服務(wù)器。其主要任務(wù)是解析Web應(yīng)用層發(fā)送過來操作命令，并傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)層。

從網(wǎng)絡(luò)層獲取設(shè)備層采集的數(shù)據(jù)，打包成JSON格式的字符串，實現(xiàn)對設(shè)備層采集數(shù)據(jù)的處理，并按應(yīng)用層兼容的格式進行打包，然后返回給Web應(yīng)用層顯示。

Web應(yīng)用層就是基于Appweb服務(wù)器運行的網(wǎng)頁前端應(yīng)用，CGI命令控制器的作用是響應(yīng)客戶端瀏覽器發(fā)送過來的CGI命令請求，解析命令請求，打包成操作數(shù)據(jù)包，并把它加入共享內(nèi)存隊列，便于命令解析服務(wù)器使用。

命令解析服務(wù)器從共享內(nèi)存隊列中獲取操作數(shù)據(jù)包并解析成數(shù)據(jù)采集層能夠識別的格式，發(fā)送至串口，與數(shù)據(jù)采集層交互通信。視頻監(jiān)控模塊直接采用視頻播放插件與Web頁面交互，即在客戶端瀏覽器上安裝VLC Media Player播放器插件后，在Web應(yīng)用層的視頻監(jiān)控頁面上直接播放視頻。

系統(tǒng)登錄、用戶注冊和系統(tǒng)設(shè)置這3個模塊分別對應(yīng)相應(yīng)的中間件軟件，底層采用SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫作為存儲機制，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)交互。

中控服務(wù)層軟件接口有CGI命令控制程序、parseServer命令解析程序、系統(tǒng)登錄中間件、register用戶注冊中間件、setup系統(tǒng)設(shè)置中間件。

2.3 數(shù)據(jù)采集層設(shè)計方案

數(shù)據(jù)采集層是面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系[6]，包括由ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee控制器組成的無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入在ZigBee數(shù)據(jù)采集設(shè)備中的智能傳感器共同組成，每個ZigBee控制器對應(yīng)一個或一組傳感器設(shè)備。

ZigBee協(xié)調(diào)器作為無線網(wǎng)絡(luò)中的路由器，它上層對接中控服務(wù)系統(tǒng)，從串口接收中控發(fā)來的命令并廣播發(fā)送至ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使設(shè)備節(jié)點可以接收命令；另一方面，從ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收設(shè)備節(jié)點返回的操作結(jié)果數(shù)據(jù)，并通過串口回送給中控服務(wù)系統(tǒng)[7]。

ZigBee控制器監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上的命令請求，并根據(jù)設(shè)備節(jié)點號匹配屬于自己的操作請求。根據(jù)命令執(zhí)行對應(yīng)的設(shè)備操作：數(shù)據(jù)采集、設(shè)備重啟、檢測設(shè)備狀態(tài)等，然后獲取智能傳感器的返回數(shù)據(jù)或設(shè)備狀態(tài)，并再次通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)回送給協(xié)調(diào)器。

中控服務(wù)層包含的軟件接口有ZigBee協(xié)調(diào)器程序、ZigBee控制器——溫濕度儀程序、ZigBee控制器——風(fēng)速儀程序、ZigBee控制器——風(fēng)向儀程序。實現(xiàn)的函數(shù)功能為：應(yīng)用事件處理器函數(shù)、串口命令接收函數(shù)、設(shè)備消息接收函數(shù)、設(shè)備消息接收函數(shù)、串口命令接收函數(shù)、設(shè)備消息接收函數(shù)、串口命令接收函數(shù)、設(shè)備消息接收函數(shù)、串口命令接收函數(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計方案

出于系統(tǒng)建設(shè)過程中的前端易開發(fā)及后臺數(shù)據(jù)易管理的角度考慮，智慧醫(yī)療系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)采集層選用嵌入式開發(fā)平臺，嵌入式配套數(shù)據(jù)庫選用SQLite。該數(shù)據(jù)庫與Web應(yīng)用層服務(wù)器后臺的Orcale 11g數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)前后臺兩個數(shù)據(jù)庫的對接[8]。

中間件嵌入式端設(shè)計了一個info數(shù)據(jù)庫，包含3個關(guān)系表：user_info、sys_info、monitor_config 分別對應(yīng)系統(tǒng)的不同功能。user_info表對應(yīng)于系統(tǒng)登錄login和用戶注冊register中間件，詳細(xì)的user_info用戶信息表見表2。sys_info表對應(yīng)于系統(tǒng)設(shè)置setup中間件。monitor_config表，對應(yīng)于系統(tǒng)設(shè)置setup中間件。

表2 用戶信息表

中間件嵌入式端存放適時采集的傳感器數(shù)據(jù)、視頻流，大量的歷史數(shù)據(jù)存放在服務(wù)器端，采用Web Service完成兩個數(shù)據(jù)庫之間的對接，數(shù)據(jù)庫架構(gòu)如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫存儲架構(gòu)

3 功能實現(xiàn)及性能分析

基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)實現(xiàn)主界面見圖6，整個系統(tǒng)性能的核心是數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和兼容性，下面從三個方面進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。

圖6 主界面

(1) 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集合分析。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)集合定義，包含數(shù)據(jù)級低等水平融合、特征級中等水平融合、決策級高等水平水平融合和多級融合[9]。智慧醫(yī)療系統(tǒng)構(gòu)建一個實時存儲、歷史保存的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)集合體系。在數(shù)據(jù)級對傳感器數(shù)據(jù)進行噪聲消除；在特征級對采集的數(shù)據(jù)進行模式分析及特征提取有效數(shù)據(jù)；在決策級對應(yīng)用場景進行有效性優(yōu)化，提升了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、收集數(shù)據(jù)的有效性、應(yīng)用數(shù)據(jù)的價值性。

(2) 數(shù)據(jù)通信幀分析。采集100次現(xiàn)場單一溫度采用，與沒有采用系統(tǒng)模型的相比，錯誤幀檢出準(zhǔn)確率提高了4%，錯誤幀的比例占整個幀的4%。通過對數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)進行分析丟包率、通信效率的分析[10]，圖7顯示的是MAC層幀占的比例柱狀圖。該柱狀圖顯示在組網(wǎng)過程中命令幀、確認(rèn)幀、信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀和錯誤幀的比例，提升了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

圖7 MAC層幀占的比例

(3) 中間件層數(shù)據(jù)實時性測試。選用溫度、濕度和風(fēng)向三個傳感器對中間件進行數(shù)據(jù)測試，測量一次數(shù)據(jù)作為一個消息，且把三個傳感器分為普通消息、環(huán)境消息、緊急消息。對數(shù)據(jù)的不同緊急性要求中間件平均處理相應(yīng)不同，隨應(yīng)用需要的響應(yīng)次數(shù)變化測試結(jié)果如圖8所示,橫軸為信息個數(shù)，單位為個；縱軸為處理時間，單位為s。

圖8 不同緊急性消息平均響應(yīng)處理時間

從圖8可以看出隨著消息響應(yīng)服務(wù)的增多，中間件層處理消息的服務(wù)響應(yīng)時間上升態(tài)勢非常明顯，但在響應(yīng)605個消息內(nèi)中間件層在處理數(shù)據(jù)的時間都低于8 s,滿足實際應(yīng)用需求對系統(tǒng)要求的處理時間。同時不同級別的消息，對應(yīng)相同的消息個數(shù)，但緊急消息的處理時間低于環(huán)境消息的處理時間、環(huán)境消息的處理時間低于普通消息的處理時間。在消息個數(shù)為505個時，緊急消息處理時間低于1.6 s、環(huán)境消息處理時間低于4.2 s、普通消息的時間低于7.7 s。

4 結(jié) 語

當(dāng)前無線網(wǎng)絡(luò)(WLAN)以驚人的速度進入社會與企事業(yè)場所，WLAN正以其應(yīng)用方式靈活、價格相對合理得到快速的普及。

本文提出基于ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)由Web應(yīng)用層、中間件層、數(shù)據(jù)采集層三層結(jié)構(gòu)模型組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、中間件控制、Web應(yīng)用的三層耦合，完成數(shù)據(jù)級、特征級、決策級三級數(shù)據(jù)融合。模塊化設(shè)計、開放的軟硬件資源和高度可擴展性，為智慧醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計提供了一種新的無線組網(wǎng)設(shè)計模型。

在實際中的大規(guī)模布設(shè)WLAN都會面臨許多問題，例如同道干擾、AP覆蓋范圍等很多問題，這些問題是相互關(guān)聯(lián)的，一般解決某一個問題往往會導(dǎo)致其他問題更加嚴(yán)重。因此必須尋求更好的途徑綜合解決這些問題，只有組建出良好穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，WLAN技術(shù)才能得到用戶完全的信任，才可能長久發(fā)展下去。下一步將對此技術(shù)深入探討。

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DESIGNOFWIRELESSNETWORKINGTECHNOLOGYINHOSPITALENVIRONMENTALMONITORINGANDITSAPPLICATION

Chen Sijie

(HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

Intelligent medical system is a typical application scene of Internet of things. The intelligent medical system based on ZigBee follows the three layer structure of Internet of things including perception layer, network layer and application layer. The system includes data acquisition layer, middleware layer and Web application layer. The design model of the system is connected in real time with three layers of applications, with high cost performance and strong robustness. Experiments show that the system has completed the data level, feature level and decision level three levels data aggregation, and the detection accuracy of the error frame is improved by 3%～5%. This system provides a new design model for the design of intelligent medical system.

ZigBee Sensor network Intelligent hospital

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.045

2017-06-16。陳斯?jié)崳砉こ處煟餮蓄I(lǐng)域：信息化醫(yī)療。