基于“4G+互聯網”的醫院病案庫房監控系統的試驗探討

邢華奎，馮 毅，馮鈺寧

1.華南理工大學機械與汽車工程學院 廣東 廣州 510640；2.中山大學孫逸仙紀念醫院 廣東 廣州 510120

0 引 言

病案記載著患者的姓名、聯系方式、住址、病史等個人隱私，也包含病程記錄、處方、手術記錄、醫囑單、檢查檢驗報告、醫學影像檢查資料等，是醫學研究生、年輕醫生的重要學習資料和訓練人工智能醫療軟件的最重要資料來源。因此，病案是醫院的寶貴資料。患者住院病案保存時間不少于30 a，大型綜合三甲醫院的住院人數一般超過10 萬人次/a［1］，累積病案數量大，常把病案委托第三方保管或異地儲存。醫院不得遺失或違法銷毀患者病案，所以妥善保存病案是醫院重要的安全管理工作之一［2］。為確保病案安全，病案科室需要定期派人去庫房核查。

本文擬研發一個具有雙信號通道的遠程安全監控系統，借助互聯網、4G及云平臺技術，使病案管理人員能夠通過電腦或手機遠程查看病案庫房內的光照、濕度、溫度、煙感、地板積水等參數及庫房視頻，而且可以遠程控制庫房照明及現場報警器具。

1 安全監控系統組成及特點

目前已存在各種各樣的遠程監控系統［3-6］，它們的性能要求、安裝方式與運行條件不盡相同，采用的器材及軟件也有差別。本文擬研發的系統屬于檔案安全監控類別，可靠性是優先考慮的因素。鑒于以上特性，擬采用“4G+互聯網”雙通道模式，一備一用，確保信號傳輸暢通，數據處理及現場控制采用可編程邏輯控制器（PLC），結合云平臺技術，構建遠程安全監控系統，如圖1 所示。

圖1 具有雙信號通道的病案庫房遠程安全監控系統構成簡圖Fig.1 Schematic diagram of remote monitoring system for medical record warehouses with dual signal channels

病案庫房內傳感器測量信號傳輸到庫房外的PLC，由PLC內的CPU對信號進行處理，包括運算和邏輯比較，并將處理結果傳送到遠程網關，該網關自動選擇把數據通過4G或互聯網上傳至云平臺。高清攝像頭圖像通過4G或互聯網接入攝像頭企業云平臺，然后通過網址訪問企業云平臺實現圖像傳輸。遠程監控電腦或手機登錄云平臺即可查看庫房運行參數及庫房外天氣狀況。

本系統有以下3 個特點：在遠程網關與云平臺之間、攝像頭與企業云平臺之間采用一備一用的4G與互聯網2種信號傳輸方式，結合PLC技術，系統有足夠安全冗余，具有極高的可靠性，斷網風險極低；病案庫房外安裝有雨雪傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器，其作用是便于管理人員比較庫房內外的參數差異和全面掌握庫房運行參數；可以遠程啟動現場聲光報警器及庫房照明。

2 試驗系統的建立

建立一個小型試驗系統來驗證前述監控系統信號傳輸的可行性及控制程序的可靠性，選用1 個光照度傳感器（電流型）、1 個溫度傳感器、1 個煙感傳感器、1 個積水傳感器、1 個濕度傳感器（電壓型）及1 個高清攝像頭。這些傳感器有些是模擬量信號，有些是開關量信號，均是有線傳感器，以防止信號互相干擾及環境干擾。雨雪傳感器信號類型屬于上述范圍，省略不用。

2.1 試驗器材選擇與連接

庫房內光照度傳感器選用光電轉換型，工作電壓12 VDC，輸出信號4～20 mA；空氣濕度傳感器選用濕敏電阻型，工作電壓5 VDC，輸出信號0～3 VDC；煙霧傳感器與地板積水傳感器選擇工作電壓12 VDC，輸出開關信號（1/0）；溫度傳感器選擇PT100。攝像頭選用與云平臺兼容，且具有4G與互聯網2種聯網方式的高清攝像頭，視頻編碼H265。

選用1 臺小型PLC，程序容量16 k steps，包含8 路開關量輸入及8 路繼電器開關量輸出，通信接口類型為RS232 與485。選用1 塊測溫模塊，測量通道4 路，分辨率16 bits，測量精度0.3%。選用1 塊A/D轉換模塊，測量通道4 路，輸入信號為±10 V、±5 V，0～20 mA 或 4～20 mA，分辨率14 bits，測量精度0.5%。PLC、測溫模塊及A/D轉換模塊組裝在一起，如圖2 所示。選用特定型號遠程網關，主要參數如表1 所示，該網關的最大優點是有通信冗余，既可以用互聯網連接，也可以用4G聯網，互為備用。試驗系統的云平臺由網關公司提供，以滿足網關與云平臺的兼容性要求。

表1 遠程網關主要參數Tab.1 Main parameters of remote gateway

圖2 試驗系統安裝及接線示意圖Fig.2 Installation and wiring diagram of test system

PLC與傳感器之間連接如圖2 所示，現場聲光報警器、庫房強制照明由輸出寄存器Y5、Y6 輸出信號驅動。PLC與遠程網關的接線對應關系如圖3 所示。

圖3 遠程網關與PLC接線關系Fig.3 Connection relationship between remote gateway and PLC

試驗系統的供電如圖4 所示，主要由不間斷電源UPS 及開關電源組成。UPS 容量1 kVA/600 W，可保證市電斷電時持續工作。開關電源產生24、12、5 VDC直流電，供網關、傳感器及攝像頭使用，PLC則直接使用220 VAC交流電，每個供電回路裝有2 A的熔斷器。

圖4 試驗系統供電原理圖Fig.4 Schematic diagram of power supply of test system

2.2 試驗系統監控程序編寫

監控程序是該系統的技術核心，包括PLC控制程序與終端監控電腦人機界面（HMI）程序。

2.2.1 PLC控制程序

負責數據采集、運算、邏輯推理、異常信號識別并輸出報警信號、控制現場報警器及庫房照明。下面是讀取庫房濕度和進行比較、超限報警的程序。

國家檔案局《檔案館照明系統設計規范》［7］規定，紙質檔案或電子檔案的照度50 lx，音像檔案的照度30 lx；《檔案館空調系統設計規范》［8］規定，庫房溫度14～24 ℃，濕度45%～60%。如果光照度、溫度、濕度測量值超出上述范圍，則PLC會輸出溫度、濕度及光照度報警信號。

2.2.2 人機界面（HMI）程序及視頻接入

遠程網關接入外網，憑密碼、賬號登錄訪問云平臺，根據云平臺提供的程序框架，設計編寫終端監控電腦人機界面HMI程序，使監控數據在電腦直觀顯示出來。程序中設定每2 min儲存一次庫房運行數據和設置超限報警燈、現場聲光報警器及庫房強制照明開關按鈕、接收報警短信的手機號碼。按照云平臺及攝像頭的使用說明書指引設置視頻的接入，購置與云平臺兼容的攝像頭。

2.3 遠程網關、PLC及終端監控電腦通信參數設置

網關中要輸入以下參數，即PLC型號、光照度、溫度、濕度、煙感、地板積水及報警信號等數據的儲存器地址，選擇串口通信波特率為9 600。設置PLC，主要明確通信波特率與網關相同，以實現與網關數據的交換。

電腦的設置過程如下：首先要從云平臺下載安裝XXXConfig軟件，然后輸入網關序列號，設置網關IP地址為192.168.10.99，電腦IP為192.168.10.30。

2.4 程序上傳及手機監控程序下載

把程序上傳至PLC，把網關設置參數上傳至網關，把HMI程序上傳至云平臺。云平臺附帶有手機小程序，下載安裝并綁定手機號碼即可看到與電腦一樣的監控畫面。

3 試驗過程及結果

試驗過程分為7 部分，即程序完整性檢驗、網線傳輸信號測試、純4G無線傳輸信號測試、拔出網線檢驗可否自動轉到4G傳輸信號測試、切斷市電檢驗不間斷電源可靠性、用模擬故障檢驗報警是否連通、人機界面中2 組遠程控制按鈕測試。

電腦用戶憑賬號、密碼訪問云平臺，手機用戶打開小程序就可以查看病案庫房內光照度、溫度、濕度等實時數據及現場視頻，報警燈數據正常時顯示綠色，數據不正常時顯示閃爍紅色，底部設有2 組按鈕，分別用于打開或關閉庫房現場的聲光報警器和庫房照明燈，如圖5 所示。庫房2023年10 月28 日至29 日濕度數據曲線可以根據需要設定具體起止時間，如圖6 所示。手機收到報警短信情況如圖7 所示。如果庫房濕度長時間連續保持較高的數值而庫房溫度符合規定，則說明有可能是庫房墻壁或天花板滲水，需要及時派人到現場核實。

圖5 試驗系統安全監控界面Fig.5 HMI of test system

圖6 2023年10 月28—29 日庫房濕度變化曲線圖Fig.6 Humidity variation curve of warehouse from October 28th to 29th，2023

圖7 推送到手機的煙感報警信號Fig.7 Smoke alarm signal pushed to mobile phone

用戶不論是在辦公室、地鐵、公交、住宅、商場，只要有手機或聯網電腦，均可看到病案庫房實時數據及視頻。測試持續約1 個月，期間系統工作穩定，數據傳輸流暢，視頻沒有明顯滯后，報警及時，控制程序完整。

4 結 語

采用“4G+互聯網”遠程傳輸等技術，結合PLC，構建病案庫房遠程安全監控系統，經測試，技術切實可行。一備一用的雙通道信號傳輸方式、不間斷電源、PLC等使本文所研發的系統具有高可靠性，能夠確保遠程安全監控不間斷。本文建立的病案庫房遠程安全監控系統具有以下明顯優勢：病案管理人員可以遠程監察病案庫房實時運行參數，并及時收到庫房參數異常報警信號；如果發現異常，可遠程打開庫房照明、視頻查看庫房情況，也可以遠程啟動庫房現場聲光報警器提醒現場工作人員，降低現場管理人員疏忽及庫房設備失效導致病案損壞的風險，強化庫房安全監督管理；可以儲存最近2 a的庫房運行參數，利于事后分析研究。本研究屬技術驗證試驗，實際的病案庫房面積很大，攝像頭、煙霧傳感器、光照度傳感器等數量較多，采用多個A/D模塊、I/O模塊拼接到PLC即可。