基于云計算和WSN的醫療系統架構及關鍵技術研究

王鵬 山西警官職業學院

1 概述

目前，隨著信息和網絡技術的不斷發展，城市信息化建設的步伐越來越快，許多的現代應用，如電子醫療保健系統、智能家居和智慧城市都在其基礎設施中使用了無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN)。但是，WSN由于其通信的弱點而面臨著幾個問題，例如系統的可靠性、安全性和可擴展性，還面臨許多資源挑戰，如電池和存儲數據容量有限，帶寬可用性和數據處理能力。因此，使用云計算技術可以成為克服這些挑戰和局限性的有效解決方案。

2 系統架構

為了解決這些挑戰和局限性，本文將開發一個集成云計算和WSN的架構。該架構可以提供無限數據存儲，高可擴展性、可用性和安全性。此外，該架構能夠管理和分析大量的傳感器數據，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勢，但云計算面臨諸如安全性、可用性和性能等挑戰。因此，本文還提出了應用于克服云計算挑戰的現代技術。

2.1 數據采集

醫療傳感器使用無線傳感器來測量病人的物理參數。所有醫療傳感器都連接到Raspberry Pi，以從患者身體讀取數據，并通過無線網絡信道將數據（患者ID和傳感器數據）傳輸到云環境。要將傳感器數據從客戶端發送到云平臺，可以使用套接字編程，這是通過TCP/IP協議發送或接收數據，代碼用C++編程語言編寫。從安全性的角度來看，數據將通過SSL安全通道傳輸到云端。這些傳感器生成實時患者數據，Raspberry Pi負責將數據發送到云中連續運行的應用服務器。因為考慮到體溫傳感器需要時間來測量正確的體溫，還應配置Raspberry Pi應用程序來應用延遲時間。

2.2 可擴展性和可用性

云計算的最大特征之一就是提供彈性服務。使用已創建的云服務來幫助開發人員構建高可擴展性和可用性的應用程序云環境。極大的可擴展性可以通過增加虛擬機數量來實現，并通過添加或從系統組件中刪除資源來擴展系統。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云應用的可擴展性緩存和負載均衡服務。自動擴展可幫助云端用戶根據自己的喜好（如CPU平均值）應用一些可用的指標。在單個虛擬機中運行系統不是最佳解決方案，因為它可能由于任何原因而失效。將系統部署到不同的數據中心可用區域（Availability Zone，AZ）以實現高可用性。負載均衡技術將有助于在應用程序中實現最大容錯能力，并提供分發應用程序工作量所需的負載均衡能力。

2.3 數據管理與分析

傳感器數據的管理和分析至關重要，特別是當傳感器產生大量數據時。因此，需要使用可以幫助從大量數據中提取有用模型的先進分析工具。當云應用從客戶端應用程序接收到傳感器數據時，云應用將根據系統中定義的策略檢查傳感器數據是否正常。每個傳感器和用戶都有一系列由系統管理員定義的策略，例如，有些患者患有慢性病，因此醫務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據。因此，系統將根據這些異常數據做出決策。如果數據正常，應用程序會將數據存儲在數據庫中以提供歷史數據。否則，應用程序將根據歷史醫療數據和策略進行決策。如果用戶沒有相同條件的歷史數據，系統將根據具有相似條件的歷史統計數據作出決策。

2.4 數據安全和隱私

在設計系統架構時，數據的安全問題是非常重要的。為了確保傳感器和云服務之間的安全通信，敏感數據必須以加密格式存儲。盡管解決所有可能的數據安全問題是一個很大的挑戰，但是盡可能考慮一些威脅模型仍然是必要的。默認情況下，數據以明文形式顯示。因此，當敏感數據以純文本方式通過網絡傳輸時，易受到未經授權和潛在惡意訪問的困擾。為了保護敏感數據免受惡意用戶的侵害，在提出的框架中，會應用兩種安全技術：加密和散列，以確保框架為在其基礎設施中使用無線傳感器的這些應用程序提供更多的安全性。

3 小結

本文提出的基于云計算和WSN的醫療系統架構，通過高可擴展性、可用性和高安全性來提供無線傳感器技術，將傳感器數據存儲在云中，獲得無限的存儲空間，并能夠基于傳感器實時數據和歷史數據作出決策，為現代醫療技術的改進提供了一種新的解決方案。

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