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醫療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構與核心技術(shù)的論文
0 引言
物聯(lián)網(wǎng)的思想最早是由美國麻省理工學(xué)院Au-to-ID Center的著(zhù)名教授A(yíng)shton 1999年提出的。隨著(zhù)技術(shù)和應用的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的內涵不斷擴展。真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現對物的感知識別控制、網(wǎng)絡(luò )化互聯(lián)和智能處理的有機統一[1].當前，大型綜合醫院集中了大部分優(yōu)勢醫療資源，導致大型醫院就診人數日益劇增。但由于缺少必要的輔助工具，在設備管理、藥品管理等過(guò)程中會(huì )出現一些人為差錯[2].醫療設備科學(xué)、有效、安全的管理反映了當下醫院的管理水平，是醫院信息化的重要組成部分。隨著(zhù)醫療設備數量日益增加以及醫院管理智能化要求越來(lái)越高，醫院對醫療設備的管理流程越來(lái)越復雜[3].運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將感知技術(shù)、通信技術(shù)及軟件信息技術(shù)融合在一起；通過(guò)設備診斷技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相結合，在設備上建立狀態(tài)監測點(diǎn)，采集設備狀態(tài)數據后通過(guò)傳感設備、微計算芯片和通信模塊，按照約定的協(xié)議，把目標設備統一連接起來(lái)，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現智能化識別、定位、數據反饋等集群目標的主動(dòng)管理；利用信息管理平臺對設備運作進(jìn)行分析判斷和數據分析統計，實(shí)現醫療設備信息化管理。本文對基于物聯(lián)網(wǎng)的醫療設備管理體系結構和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以供參考。
1 技術(shù)背景
1.1體系結構
體系結構本意是“統一的或一致的形式或結構”.體系結構可以精確地定義系統的組成部件及其關(guān)系，引導開(kāi)發(fā)者遵循系統的一致性原則，以確保系統符合預期的要求。因此，物聯(lián)網(wǎng)體系結構是設計與實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)系統的首要基礎[4].建立物聯(lián)網(wǎng)體系結構的最主要過(guò)程是從各種應用需求中統一抽取出組成系統的部件以及部件之間的組織關(guān)系。圖1是對物聯(lián)網(wǎng)體系結構的分類(lèi)總結。
1.2關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)主要是對感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層等關(guān)鍵技術(shù)的應用、實(shí)現、研究和開(kāi)發(fā)。其中感知層的關(guān)鍵技術(shù)見(jiàn)表1.
其他關(guān)鍵技術(shù)有傳感器網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)1平臺技術(shù)等[5].在物聯(lián)網(wǎng)中，不僅要實(shí)現物物相連，而且要做到識別、定位、追蹤和管理。而射頻識別（radio frequency identification,RFID）技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵技術(shù)中處于突出的地位[6-7],是物聯(lián)網(wǎng)中規�；R別技術(shù)的首要選擇。
1.3存在問(wèn)題
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為醫療設備的管理帶來(lái)了新的思路。它利用感知技術(shù)與智能裝置對醫療設備進(jìn)行感知識別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計算、處理和知識挖掘，達到對醫療設備實(shí)時(shí)控制、精確管理和設備共享的目的[8].物聯(lián)網(wǎng)的研究、實(shí)施、發(fā)展和應用還存在很多問(wèn)題，主要有：
�。�1）規�；瘑�(wèn)題。為獲得完整可靠的數據，智能節點(diǎn)和RFID設備必須大量且合理地布置。在感知層，當一部分元件出現故障時(shí)，有其他元件可以替代，這就需要規�；瘉�(lái)保證[9].
�。�2）標準化問(wèn)題。包括RFID技術(shù)、通信協(xié)議及應用層的標準化。
�。�3）數據問(wèn)題。首先，要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)能夠持續、穩定、安全地獲取數據；其次，數據的時(shí)效性要有保證，網(wǎng)絡(luò )傳輸信息延遲問(wèn)題要得到解決；最后，數據庫管理以及安全隱私問(wèn)題[10].其中，數據的獲取與采集非常重要。
2 醫療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在某一領(lǐng)域中的應用，更多的是利用感知層、網(wǎng)絡(luò )層和傳輸層3層框架。針對現有研究基礎和醫院實(shí)際環(huán)境的特點(diǎn)，對醫療設備也采用了3層體系架構，但根據實(shí)際環(huán)境特點(diǎn)對醫院進(jìn)行改進(jìn)和細化。醫療設備物聯(lián)網(wǎng)與其他物聯(lián)網(wǎng)應用相比，具有設備眾多，應用復雜，系統中存在大量異構數據、異構接口和異構協(xié)議轉換等特點(diǎn)。在其體系架構中，將數據采集的終端設備和保證數據安全接入的AP和網(wǎng)關(guān)歸屬于感知層；中間件、網(wǎng)絡(luò )管理軟件和信息采集、匯聚、分析和發(fā)布軟件歸屬于傳輸層；醫院信息系統（hospitial information system,HIS）、實(shí)驗室信息系統（laboratory information system,LIS）等醫療設備物聯(lián)網(wǎng)應用系統歸屬于應用層。醫療設備物聯(lián)網(wǎng)體系結構如圖2所示。
2.1感知層
醫療設備物聯(lián)網(wǎng)感知層通過(guò)傳感器設備來(lái)采集RFID標簽或醫療設備等對象的數據，然后通過(guò)藍牙、Wi-Fi等短距離傳輸技術(shù)傳輸數據，實(shí)現物品感知信息和控制信息的統一識別。感知層主要包括RFID標簽、傳感器等關(guān)鍵技術(shù)以及醫療數據安全接入AP和智能網(wǎng)關(guān)等。其中，RFID是醫療設備物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)。它由電子標簽和讀寫(xiě)器組成，在電子標簽內存儲特定格式標志物體信息的電子數據，并采用非接觸式自動(dòng)識別技術(shù)，通過(guò)電子標簽對其附著(zhù)的物體進(jìn)行定位追蹤，具有讀取距離遠、數據存取速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn)[11-13].
2.2傳輸層
傳輸層包括中間件，網(wǎng)絡(luò )管理軟件，信息采集、匯聚、分析和發(fā)布系統等，并與位于醫療設備物聯(lián)網(wǎng)應用層的HIS、LIS建立接口。傳輸層主要用于將感知層識別的各種感知和控制信息按照通用數據傳輸協(xié)議轉換成標準格式，實(shí)現醫療設備物聯(lián)網(wǎng)人與物、物與物之間的互聯(lián)互通。
2.3應用層
醫療設備物聯(lián)網(wǎng)應用層主要完成對感知層采集的數據的計算、處理和知識挖掘，并將這些數據與醫療活動(dòng)中各種應用系統相結合，如電子病歷、HIS、LIS、影像歸檔和通信系統（picture archiving and com-muication system,PACS）等各種醫療信息系統和醫療設備管理平臺等應用系統，從而為管理決策提供支持。
3 系統關(guān)鍵技術(shù)
3.1智能網(wǎng)關(guān)設計
智能網(wǎng)關(guān)是醫療設備物聯(lián)網(wǎng)系統實(shí)現的基本組件之一，它是物聯(lián)網(wǎng)感知層與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層之間的橋梁。它一方面可以將感知層獲得的數據進(jìn)行匯總、處理、存儲；另一方面可以通過(guò)各種不同的手段將這些數據傳遞給服務(wù)器，為應用層提供數據支持。網(wǎng)關(guān)支持無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內部數據協(xié)同和匯聚，支持以傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議（transmission controlprotocol/internet protocol,TCP/IP）接入、3G接入或者其他接入方式，從而橋接傳感器網(wǎng)絡(luò )與醫院網(wǎng)絡(luò )[14-16].
�。�1）硬件設計：智能網(wǎng)關(guān)硬件設計如圖3所示。該設備器件采用低功耗設計，具備USB、Uart、SPI、I2C等傳感器硬件接口，并具備Wi-Fi、Zig Bee、Inter-net等通信接口接入能力。圖4為智能網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖。感知節點(diǎn)采用MSP430和CC2420作為處理器和無(wú)線(xiàn)通信模塊，嵌入了基于Zig Bee芯片的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，實(shí)現了傳感網(wǎng)絡(luò )子節點(diǎn)之間的數據傳輸，通用無(wú)線(xiàn)分組（general packet radio service,GPRS）通信模塊作為傳感網(wǎng)絡(luò )與物理室之間的橋梁。一方面實(shí)現以太網(wǎng)、3G、Wi-Fi、RS485、CAN總線(xiàn)等通信接口用于網(wǎng)絡(luò )層互聯(lián)；另一方面利用Zig Bee、射頻等無(wú)線(xiàn)傳輸手段實(shí)現與物聯(lián)網(wǎng)感知傳感器的交互連接。并添加Web Server、液晶顯示屏（liquid crystal display,LCD）、鍵盤(pán)、I/O接口、SD卡等功能，可以根據實(shí)際需求進(jìn)行功能定制。
�。�2）軟件設計：智能網(wǎng)關(guān)位于傳輸層，負責與管理平臺與感知節點(diǎn)交互。醫療設備智能網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現對現有接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )的配置管理，同時(shí)針對醫療設備物聯(lián)網(wǎng)終端數量龐大、各終端工作狀態(tài)需實(shí)時(shí)監控等特點(diǎn)，對每一個(gè)終端設備分配一個(gè)可管理的地址，如IP地址等，從而實(shí)現網(wǎng)絡(luò )通信安全設置、不同時(shí)間段各通信信道負載與均衡控制、運行時(shí)物聯(lián)網(wǎng)信息可靠性驗證、故障檢測及診斷日志等功能。智能網(wǎng)關(guān)軟件設計如圖5所示。
3.2中間件設計
物聯(lián)網(wǎng)的中間件是處在物聯(lián)網(wǎng)感知層和傳輸層之間的一種中間件系統，它起到一個(gè)中介的作用，屏蔽前端硬件的復雜性，并把采集到的數據送到后端的應用系統[17].在后臺應用系統和讀寫(xiě)器之間，通過(guò)設置一個(gè)通用接口和平臺，實(shí)現每個(gè)應用環(huán)境的標準化和各應用系統之間的通信，該通用接口和平臺即醫療設備物聯(lián)網(wǎng)中間件。中間件捕獲實(shí)時(shí)信息和事件，并將其傳輸至后臺應用數據庫系統或RFID讀寫(xiě)器，從而實(shí)現RFID讀寫(xiě)器與后臺數據庫系統之間的信息交互[16].醫療設備物聯(lián)網(wǎng)中間件是RFID讀寫(xiě)器與信息系統之間的紐帶，采用標準協(xié)議和接口技術(shù)。開(kāi)發(fā)醫療設備管理中間件要遵守醫院物聯(lián)網(wǎng)應用服務(wù)的要求與標準，以實(shí)現RFID讀寫(xiě)器與各應用系統之間的標準化數據傳輸[18].
RFID讀寫(xiě)器讀取各種數據信息，通過(guò)中間件提取、解密、過(guò)濾、格式轉換、導入信息平臺的系統，實(shí)時(shí)反映設備的狀態(tài)，并通過(guò)應用系統響應于程序界面，供用戶(hù)瀏覽、選擇、修改、查詢(xún)[19].中間件系統的軟件結構主要由系統管理服務(wù)器和數據采集組成，如圖6所示。
3.3基于物聯(lián)網(wǎng)的醫療設備管理平臺設計
基于物聯(lián)網(wǎng)的醫療設備管理服務(wù)平臺對感知信息進(jìn)行采集、匯聚、分析和處理，主要包括用戶(hù)管理、設備參數維護、信息與圖形操作、綜合分析、日常管理、數據采集、信息數據分析等；主要針對醫療設備感知信息進(jìn)行自動(dòng)化采集、全面化匯聚、全局化分析，為醫療設備管理者和工程技術(shù)人員提供設備運行的技術(shù)狀態(tài)、使用情況、運行維護等實(shí)時(shí)信息，解決操作管理層、決策層等不同層次應用人員的實(shí)際要求。系統平臺按照功能和關(guān)系可以分為4層：數據庫、數據庫訪(fǎng)問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、應用層。其中，數據庫訪(fǎng)問(wèn)層是數據層和業(yè)務(wù)邏輯層之間的橋梁，它包括數據的采集和存儲、終端設備和通信網(wǎng)絡(luò )的實(shí)時(shí)數據采集和數據格式的轉換以及為相應的數據類(lèi)型提供相應的數據支持。業(yè)務(wù)邏輯層包括用戶(hù)管理、數據的相關(guān)操作，功能模塊組件和Savant模塊。Savant模塊作為數據終端和系統應用的中間件，提供ONS、EPC等功能。應用層則提供各種應用程序的接口，實(shí)現具體的管理功能。系統具體的層次結構關(guān)系如圖7所示。
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