基于云計算和WSN的醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

王鵬 山西警官職業(yè)學(xué)院

1 概述

目前，隨著信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，城市信息化建設(shè)的步伐越來越快，許多的現(xiàn)代應(yīng)用，如電子醫(yī)療保健系統(tǒng)、智能家居和智慧城市都在其基礎(chǔ)設(shè)施中使用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)。但是，WSN由于其通信的弱點(diǎn)而面臨著幾個問題，例如系統(tǒng)的可靠性、安全性和可擴(kuò)展性，還面臨許多資源挑戰(zhàn)，如電池和存儲數(shù)據(jù)容量有限，帶寬可用性和數(shù)據(jù)處理能力。因此，使用云計算技術(shù)可以成為克服這些挑戰(zhàn)和局限性的有效解決方案。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

為了解決這些挑戰(zhàn)和局限性，本文將開發(fā)一個集成云計算和WSN的架構(gòu)。該架構(gòu)可以提供無限數(shù)據(jù)存儲，高可擴(kuò)展性、可用性和安全性。此外，該架構(gòu)能夠管理和分析大量的傳感器數(shù)據(jù)，以便提取有用的信息。雖然云計算在存儲容量，易于共享信息和獲得快速處理能力方面具有很多優(yōu)勢，但云計算面臨諸如安全性、可用性和性能等挑戰(zhàn)。因此，本文還提出了應(yīng)用于克服云計算挑戰(zhàn)的現(xiàn)代技術(shù)。

2.1 數(shù)據(jù)采集

醫(yī)療傳感器使用無線傳感器來測量病人的物理參數(shù)。所有醫(yī)療傳感器都連接到Raspberry Pi，以從患者身體讀取數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)信道將數(shù)據(jù)（患者ID和傳感器數(shù)據(jù)）傳輸?shù)皆骗h(huán)境。要將傳感器數(shù)據(jù)從客戶端發(fā)送到云平臺，可以使用套接字編程，這是通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，代碼用C++編程語言編寫。從安全性的角度來看，數(shù)據(jù)將通過SSL安全通道傳輸?shù)皆贫恕＿@些傳感器生成實(shí)時患者數(shù)據(jù)，Raspberry Pi負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云中連續(xù)運(yùn)行的應(yīng)用服務(wù)器。因?yàn)榭紤]到體溫傳感器需要時間來測量正確的體溫，還應(yīng)配置Raspberry Pi應(yīng)用程序來應(yīng)用延遲時間。

2.2 可擴(kuò)展性和可用性

云計算的最大特征之一就是提供彈性服務(wù)。使用已創(chuàng)建的云服務(wù)來幫助開發(fā)人員構(gòu)建高可擴(kuò)展性和可用性的應(yīng)用程序云環(huán)境。極大的可擴(kuò)展性可以通過增加虛擬機(jī)數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，并通過添加或從系統(tǒng)組件中刪除資源來擴(kuò)展系統(tǒng)。此外，一些云提供商提供了一些功能，如作為專門提供用于增強(qiáng)云應(yīng)用的可擴(kuò)展性緩存和負(fù)載均衡服務(wù)。自動擴(kuò)展可幫助云端用戶根據(jù)自己的喜好（如CPU平均值）應(yīng)用一些可用的指標(biāo)。在單個虛擬機(jī)中運(yùn)行系統(tǒng)不是最佳解決方案，因?yàn)樗赡苡捎谌魏卧蚨А⑾到y(tǒng)部署到不同的數(shù)據(jù)中心可用區(qū)域（Availability Zone，AZ）以實(shí)現(xiàn)高可用性。負(fù)載均衡技術(shù)將有助于在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)最大容錯能力，并提供分發(fā)應(yīng)用程序工作量所需的負(fù)載均衡能力。

2.3 數(shù)據(jù)管理與分析

傳感器數(shù)據(jù)的管理和分析至關(guān)重要，特別是當(dāng)傳感器產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)時。因此，需要使用可以幫助從大量數(shù)據(jù)中提取有用模型的先進(jìn)分析工具。當(dāng)云應(yīng)用從客戶端應(yīng)用程序接收到傳感器數(shù)據(jù)時，云應(yīng)用將根據(jù)系統(tǒng)中定義的策略檢查傳感器數(shù)據(jù)是否正常。每個傳感器和用戶都有一系列由系統(tǒng)管理員定義的策略，例如，有些患者患有慢性病，因此醫(yī)務(wù)人員必須考慮患者心率變化、氧飽和度降低和體溫增加等數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)將根據(jù)這些異常數(shù)據(jù)做出決策。如果數(shù)據(jù)正常，應(yīng)用程序會將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中以提供歷史數(shù)據(jù)。否則，應(yīng)用程序?qū)⒏鶕?jù)歷史醫(yī)療數(shù)據(jù)和策略進(jìn)行決策。如果用戶沒有相同條件的歷史數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將根據(jù)具有相似條件的歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)作出決策。

2.4 數(shù)據(jù)安全和隱私

在設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)時，數(shù)據(jù)的安全問題是非常重要的。為了確保傳感器和云服務(wù)之間的安全通信，敏感數(shù)據(jù)必須以加密格式存儲。盡管解決所有可能的數(shù)據(jù)安全問題是一個很大的挑戰(zhàn)，但是盡可能考慮一些威脅模型仍然是必要的。默認(rèn)情況下，數(shù)據(jù)以明文形式顯示。因此，當(dāng)敏感數(shù)據(jù)以純文本方式通過網(wǎng)絡(luò)傳輸時，易受到未經(jīng)授權(quán)和潛在惡意訪問的困擾。為了保護(hù)敏感數(shù)據(jù)免受惡意用戶的侵害，在提出的框架中，會應(yīng)用兩種安全技術(shù)：加密和散列，以確保框架為在其基礎(chǔ)設(shè)施中使用無線傳感器的這些應(yīng)用程序提供更多的安全性。

3 小結(jié)

本文提出的基于云計算和WSN的醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)，通過高可擴(kuò)展性、可用性和高安全性來提供無線傳感器技術(shù)，將傳感器數(shù)據(jù)存儲在云中，獲得無限的存儲空間，并能夠基于傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)作出決策，為現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的改進(jìn)提供了一種新的解決方案。

[1]方如舉,王建平,孫偉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的擁塞控制策略[J].電子測量與儀器學(xué)報,2016,(4):558-567

[2]田賢忠,陽勝.基于網(wǎng)絡(luò)編碼的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)瓶頸區(qū)域生存時間優(yōu)化策略[J]. 計算機(jī)學(xué)報,2016,(5):1039-1050

[3]蔣銳,楊震.基于質(zhì)心迭代估計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位算法[J]. 物理學(xué)報,2016, (3): 9-17