基于無線網絡的醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統設計

龐 輝，劉 濤

(江蘇航運職業技術學院航海技術學院，江蘇南通 226010)

0 引言

配備有各種醫療設備的醫院船誕生，為海上作業以及遠航人員身體疾病的及時救治與診療做出極大貢獻[1]。醫療設備數據是反映其狀態信息的重要依據，對其進行有效采集與傳輸對實現醫療設備運行狀態監控具有重要意義[2]。受航行環境等因素的影響，醫院船醫療設備數據傳輸難以達到較好的應用要求，不僅數據傳輸穩定性較差，尤其是難以達到較好的遠距離傳輸效果[3]。為保證醫院船與監控服務器間的高質量數據傳輸，設計滿足實時傳輸要求的醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統是當下亟待解決的問題[4]。多個節點通過無線方式連接即可完成無線網絡的搭建，由于無線網絡不依靠固定設施，因此在醫院船數據通信上具有廣泛應用[5]。

史兵麗等[6]為實現數據的遠距離傳輸，構建了基于ZigBee的無線網絡，利用其對采集的應變數據進行傳輸。但該系統受路由選擇影響，其吞吐量未達到理想要求；李騰等構建的遠程監控系統采用基于ARM 的采集終端完成監控數據的獲取，利用基于ENC28160的數據通信模塊實現數據的快速傳輸后，存儲于FPGA 存儲模塊中。但該系統數據傳輸方式不適用于大型船舶數據傳輸系統，數據傳輸延時較大。為此，本文設計基于無線網絡的醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統，保證醫療設備數據高效、實時傳輸，提高系統吞吐能力。

1 醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統

1.1 醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統總體框架

圖1為醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統總體框架，該系統由4部分構成，分別為：

圖1 醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統總體框架Fig.1 Overall framework of data acquisition and transmission system for large ship hospital equipment

基礎層

該層由醫院船醫療設備和數據采集終端構成，數據采集終端利用互感器、傳感器以及激光掃描技術獲取醫院設備的電壓、電流、溫濕度以及ID 號等數據。

處理層

該層可實現采集數據的抽取、清洗、去噪等。

網絡層

該層是實現大型船舶醫院設備數據高速傳輸的關鍵，由無線自組網絡、交換機、路由器構成，邊界路由器的作用是實現無線網絡與ZigBee、Wi-Fi 的互聯，將防火墻部署在互聯節點上，可保證醫院設備數據的安全傳輸。

用戶層

該層由客戶端服務器構成，具有醫療設備狀態監控、日志管理與分析、數據查詢、分析與存儲等功能。

1.2 數據采集終端設計

醫療設備數據采集是更好實現后續設備狀態監控等功能的前提。數據采集終端結構如圖2所示。醫院船醫療設備ID號等數據通過條碼掃描檢測單元進行采集，其電壓、電流信號分別通過電壓、電流互感器采集，其溫度、濕度信號則利用傳感器獲取，上述采集信號需利用放大濾波電路進行轉換處理，以滿足A/D轉換器輸入所需的低電壓要求，經A/D轉換器完成所有采集信號的測量后，將其發送給單片機，由其完成醫院船醫療設備ID號、電壓、電流、溫度、濕度等數據的打包處理，并將數據包傳輸給無線傳送單元，利用其將數據傳輸給數據處理層。

1.3 無線自組網絡設計

1.3.1 網絡結構

網絡層無線自組網絡是醫院船醫療設備數據采集和傳輸系統核心，是在IEEE802.11s無線局域網標準上設計而成的AdHoc 網絡。該無線網絡具有無中心性，有別于星型或總線型無線網絡結構，其結構表現為網狀型。無線自組網絡基本結構如圖3所示。

圖3 無線自組網絡基本結構Fig.3 Basic structure of wireless ad hoc network

1.3.2 全功能控制器設計

在無線自組網絡中，以C8051F020單片機為全功能控制器，不僅可使該控制器具備更好的穩定性及控制效率，也可保證和指令集相支持。單片機中配置了8位A/D模數轉換器，通過其可實現無線數據傳輸網絡模擬信號的獲取，最高采樣速率為550 kb/s，最大帶寬為64 kHz。圖4為A/D模數轉換器的工作原理圖。

圖4 A/D模數轉換器工作原理圖Fig.4 Working principle diagram of A/D analog-to-digital converter

1.4 基于MinACK 的路由算法

網絡層的路由器模塊采用基于MinACK 的路由算法實現醫院船醫療設備數據的傳輸，以提升系統吞吐量。其具體過程為：

1)確認下一跳節點。

2)確定編碼解碼策略。設定S為源節點，由其對待發送數據包進行等分處理，獲得同樣大小數據段，其中包含數據包數量為K，分別對各數據段作線性編碼后，獲得的編碼包數量一定不低于K。對于一數據段，可通過Pi(i=1,2,···,K)表示原始包，通過對其線性編碼生成編碼包，PCj為其第j個編碼包，可通過獲得，其中系數表示為c ji，其值可在伽羅華域GF28中任意選擇。S利用競爭到的信道完成編碼包傳輸后，轉發節點獲取該編碼包，并對其作重新編碼，即

其中：ti為 系數。由式(1)得出，編碼包與原始包Pi仍保持線性關系。編碼后傳輸到目的節點后，采用下式對其進行解碼：

式中：發送到目的節點的編碼包表示為PCi′，與其對應的向量表示為=(ci1,···,ciK)，對其作高斯消元便可獲得Pi。

3)確認節點數據包發送量。編碼包傳輸至中繼節點后，將執行重新編碼操作，并轉發給下一跳節點。為避免編碼包的重復傳輸，采取如下操作：

在源節點僅有一個數據包需要傳輸的情況下，編碼包由u至v的丟包率通過puv表示，中繼節點u傳輸編碼包的次數通過nu表 示，編碼包傳輸至節點v的次數通過下式進行確定：

式中：當ETX(u)高 于ETX(v)值 時，即表示為u>v，說明u是 節點v的上一跳節點，計算u的所有下一跳節點至目標節點的ETX值，并按由低到高順序排列，具有最小ETX的中繼節點擁有編碼包優先傳輸權。原因在于具有最小ETX的節點距離目標節點更近，編碼包成功傳輸的概率更大。反之，當最小ETX的節點未成功收到編碼包時，其他下一跳節點方有轉發機會，用表示節點傳輸編碼包的概率。

4)發送ACK 確認包。對于中繼節點i，當其傳輸的編碼包成功傳輸至下一跳節點，則將ACK 確認信息傳輸給上一跳節點。上一跳節點確認ACK 后，即將存儲于緩存中的此數據段編碼全部予以剔除，并執行下一數據段的傳輸任務。ACK 數據包由3部分構成，其中數據傳輸節點ID用于描述傳輸ACK 數據包的節點序號；其上一跳節點的序號列表通過接收節點ID 列表描述；數據段ID則是對已成功接收數據段的標記，提示節點可做刪除處理。

2 實驗結果分析

以某醫院船上的呼吸機、監護儀設備為研究對象，利用Matlab軟件工具對數據傳輸的無線網絡進行搭建，網絡拓撲中含有的節點總數為10，數據傳輸信道總數為4，其中一條為控制信道，其余均為數據傳輸信道，假設只有相鄰節點間可進行數據傳輸。采用本文系統對2022年7月3日-5日2種設備數據進行采集，設定設備的日運行時間為6h，數據采集周期為5min，數據采集后完成數據的傳輸，驗證本文系統的應用性能。

以呼吸機設備為例，采用本文系統對各采樣點設備數據進行采集，部分數據采集結果如表1所示。分析可知，采用本文系統對醫院船呼吸機設備數據進行采集，可獲取能夠反映其運行狀態的功率數據，其中前7個數據為待機模式下的呼吸機設備數據，其余為運行中的呼吸機設備數據。實驗結果表明，本文系統可實現設備數據的采集，可將其應用于醫院船醫療設備數據采集中。

表1 呼吸機設備的數據采集結果Tab.1 Data collection results of ventilator equipment

采用本文系統對呼吸機設備采集數據進行傳輸，并與文獻[6]的基于ZigBee無線網絡系統、文獻[7]的基于ARM 系統進行對比，設定傳輸的數據包總量為600，各數據段中所含數據包數量K在[10,80]區間取值，在不同K取值下，以上3 個系統的吞吐量變化結果如圖5所示。分析可知，在對呼吸機設備數據傳輸過程中，不同K取值會對系統吞吐量產生直接影響。本文系統及文獻[6]系統、文獻[7]系統均隨其值的不斷增大，系統吞吐量呈逐漸上升趨勢變化，在K達到40時前，系統吞吐量值上升幅度較大，繼續增大數據包傳輸量，系統吞吐量變大幅度減弱，逐漸趨于穩定。K值一定情況下，本文系統吞吐量始終高于文獻系統。實驗結果表明，本文系統數據傳輸能力突出，優于文獻系統。

圖5 本文系統數據傳輸性能分析結果Fig.5 Analysis resultsof system data transmission performance in this paper

系統數據傳輸質量可通過接收信號強度進行體現，系統接收信號強度值一般為負數，當其值無限貼近于0，說明系統數據傳輸質量越好，但最小信號強度不得低于?50 dBm。將三種頻帶干擾加入到數據傳輸過程，分別為B，C，D頻帶干擾，在各種干擾情況下，通過對不同信號粒子數量的信號強度變化進行測試，驗證本文系統的數據傳輸性能，實驗結果如圖6所示。分析可知，不同頻帶干擾對系統接收信號強度的影響存在一定差異，B頻帶干擾下，不同信號粒子數量下的系統信號強度值變化趨勢較為穩定，信號強度值最大，在(?18，?10)dBm 區間變化；當利用C頻帶干擾對數據傳輸過程進行擾動時，系統接收信號強度低于B頻帶干擾情況，其值于(?30，?18)dBm 區間變化；將D頻帶干擾加入到數據傳輸過程，對系統數據傳輸性能影響最大，此時信號強度最弱，在?41 dBm~?23 dBm 范圍變化。3種頻帶擾動雖對本文系統的數據傳輸性能有不同影響，但均滿足數據傳輸質量要求。因此，本文系統可實現醫療設備數據的高質量傳輸。

圖6 頻帶干擾下的系統數據傳輸性能分析Fig.6 System data transmission performanceanalysis under frequency band interference

3 結 語

將本文系統應用于某醫院船醫療設備數據采集、傳輸中，通過分析呼吸機設備數據采集結果、與文獻系統的系統吞吐量比較結果、接入不同頻帶干擾下的接收信號強度的變化等驗證本文系統的應用效果。實驗結果表明：該系統可完成呼吸機設備數據的獲取；K為40時，本文系統吞吐量即可達到較高水平；B頻帶干擾對傳輸信號強度影響最小、D頻帶干擾影響最大。