衛(wèi)生裝備質量控制物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)實現(xiàn)研究

蘇秋玲，董少良，洪范宗，王 敏，鄭月瓊

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為當前國內外傳感器技術領域的研究熱點，近年來發(fā)展迅速，它利用各種信息傳感設備如射頻識別（radio frequency identification，RFID）、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）和無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor network，WSN）[1-2]等與互聯(lián)網(wǎng)結合起來，通過智能連接的網(wǎng)絡[3]對一切事物信息進行感知，并實現(xiàn)“物物交流”，將信息和交流由用戶端延伸至物品端。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術將醫(yī)療對象智能感知與醫(yī)療業(yè)務流程進行整合，實現(xiàn)醫(yī)療全過程的自動化處理，它以“智慧醫(yī)療”的概念開啟了物聯(lián)網(wǎng)技術在醫(yī)療領域應用的先河，目前主要應用于病患識別、母嬰管理和藥品、耗材、檢驗標本的管理等多個領域[4]。

隨著對醫(yī)療質量要求的提高，醫(yī)療設備質量水平逐漸成為制約因素之一，醫(yī)療設備的質量控制管理具有重要意義[5]，它需要有更先進、系統(tǒng)的醫(yī)療設備質量保障措施來應對。從醫(yī)療領域的發(fā)展來看，現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化醫(yī)院的建設離不開無線化、網(wǎng)絡化和實時化的支持；而從物聯(lián)網(wǎng)技術的特點來看，其在無線化、網(wǎng)絡化及實時化處理上具有獨特優(yōu)勢，其應用不僅是簡單的數(shù)字化存儲和信息集成，它更多地關注醫(yī)療的全面信息化、監(jiān)管的智能化和信息獲取的實時化，能從全局把握影響醫(yī)療質量的關鍵點及薄弱處。近年來，紅外、RFID等信息傳感技術的出現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，從而能為研制新一代醫(yī)療設備質量控制信息管理系統(tǒng)提供參考模式和實現(xiàn)技術[6-7]。因此，依據(jù)醫(yī)院衛(wèi)生裝備租賃運營特點，我們研究了衛(wèi)生裝備質量控制物聯(lián)網(wǎng)化管理整體方案及應用方法分析[8-9]，并在此基礎上進一步研究物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，關注應用系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)關鍵點及解決方案，從而促進物聯(lián)網(wǎng)技術應用于醫(yī)療設備全壽命過程數(shù)字化、智能化及實時化的監(jiān)管中。

1 系統(tǒng)架構

衛(wèi)生裝備質量控制物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)需要同時獲得醫(yī)療設備的基本信息和環(huán)境參數(shù)等，并通過無線網(wǎng)絡傳遞至監(jiān)控中心的上位機軟件，具體應用框架如圖1所示。前端RFID標簽由控制模塊、傳感模塊、存儲模塊、耦合模塊及電源模塊（可選）組成，用于衛(wèi)生裝備質量信息的感知和上傳，所需數(shù)量一般較大，應注意成本控制；網(wǎng)絡控制對系統(tǒng)起著承上啟下的作用，即上傳遞設備的信息，下采集設備的信息，系統(tǒng)中是通過RFID讀寫器和天線設計網(wǎng)關進行網(wǎng)絡調制的；監(jiān)控中心通過上位機軟件對接收到的設備質量控制信息進行處理，同時進行工作模式設計，以最大限度地降低能耗。

圖1 衛(wèi)生裝備物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)框架

2 RFID標簽實現(xiàn)

依據(jù)是否采用電源模塊將標簽分為有源標簽與無源標簽[10]。無源標簽僅提供基本的被感知能力和數(shù)據(jù)存儲能力，有源標簽則提供感知、控制和通信的功能。對于無源標簽，現(xiàn)有技術已基本成熟，并有了較多的成品，在衛(wèi)生裝備質量控制應用中可以用于實時性要求不高、非高風險類的設備管理。而有源標簽，其實質就是一個嵌入式系統(tǒng)，需控制芯片提供傳感器控制、定位處理、通信協(xié)議定制及數(shù)據(jù)處理等功能，所需的能耗會較大，因而通常需要外接電源模塊支持。在此主要討論有源標簽的實現(xiàn)，按模塊、性能需求及其能耗指標進行硬件選擇。

2.1 控制模塊

依據(jù)性價比要求，選擇CC2431作為標簽核心控制模塊。CC2431是一個真正的系統(tǒng)芯片（SoC）[11]，符合CMOS解決方案，它在單個芯片上整合了射頻（RF）前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉換器（ADC）、幾個定時器（timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路（power on reset）、掉電檢測電路（brown out detection）以及21個可編程I/O引腳。這種解決方案不僅能夠滿足衛(wèi)生裝備質量控制應用的性能需求，還能滿足2.4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求，相信未來將應用于社會的多個領域。CC2431基本功能模塊組成圖如圖2所示。

為達到資源優(yōu)化配置的目的，充分利用醫(yī)療設備資源，我院開展了設備租賃業(yè)務，由設備租賃中心對一些急救設備進行“專管共用”管理。然而，設備租賃過后所能獲得的信息僅限于所在科室，無法做到追蹤管理，不能達到高效調配的目的。因此，通過RFID標簽對設備進行定位功能配置，可以保證隨時隨地地追蹤，保障緊急情況下設備的調配。CC2431有定位跟蹤引擎，能達到系統(tǒng)實時定位追蹤的目的，從而有效提升衛(wèi)生裝備緊急情況下處理的效率。

圖2 CC2431功能框圖

2.2 傳感模塊

傳感模塊是指標簽需具備探測環(huán)境各種指數(shù)的功能（如溫度、濕度和各種有害氣體）和超限警報提示的能力。通過標簽組網(wǎng)，監(jiān)控中心能夠實時觀察到各傳感器的檢測數(shù)據(jù)，即可實時獲得設備所處環(huán)境信息，當各種環(huán)境指標超標時則進行報警。常用數(shù)字溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DT284等完成環(huán)境中溫濕度的數(shù)據(jù)采集。應用中擬由集成式環(huán)境傳感器進行數(shù)據(jù)采集，通過控制芯片的RXD與TXD引腳采用串行方式進行數(shù)據(jù)傳送。考慮設備使用及標簽的節(jié)能問題，還應通過驅動程序對傳感電路工作方式、模式方面進行優(yōu)化，以減少不必要的能耗。

2.3 存儲模塊

目前，市場上使用的RFID標簽存儲空間可達512 B到4 MB不等，這樣的存儲模塊完全可以滿足衛(wèi)生裝備質量控制數(shù)據(jù)存儲的要求。

2.4 耦合模塊

RFID系統(tǒng)耦合模塊通?？梢赃x擇多個頻段，不同頻段有著不同的特點，UHF頻段的RFID系統(tǒng)讀取速度較快、識別距離較遠，近年來得到了較快的發(fā)展，因此，我們考慮用于UHF中的耦合器。RFID標簽能方便、快速地通過耦合器返回設備數(shù)據(jù)信息并由天線進入讀寫器的射頻耦合模塊。

3 網(wǎng)絡實現(xiàn)

應用中的網(wǎng)絡主要是對閱讀器進行網(wǎng)絡化設計，對其集成微處理器和微型操作系統(tǒng)，實現(xiàn)中間件功能，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，實現(xiàn)設備在醫(yī)院流通過程中質量控制數(shù)據(jù)接力傳送的適配與調節(jié)。這就要求RFID讀寫器對獲取到的設備質量控制信息進行數(shù)字轉換和處理，除解調出返回的信息外還要完成網(wǎng)絡的互聯(lián)。

為此，仍考慮為RFID讀寫器集成微處理器和嵌入式系統(tǒng)，并選擇合適的接入技術。由于醫(yī)院范圍內局域網(wǎng)建設已基本完善，所以系統(tǒng)選擇將RFID讀寫器接入適當帶寬的Internet網(wǎng)絡或Wi-Fi網(wǎng)絡中，使其安全標準、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸延時、傳輸速率及傳輸質量等符合需求。因此，可以在RFID中設計嵌入式網(wǎng)關，實現(xiàn)一部分中間件的功能，進行信號調制、狀態(tài)控制、奇偶位錯誤校驗與修正、時序與數(shù)據(jù)格式配置等。

物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)中各RFID讀寫器或天線通常兼具路由功能，需頻繁進行信息更新與維護，傳輸控制也較為復雜、功耗較高。因此，有必要針對質量控制的需求定制RFID通信協(xié)議，以進行無源標簽和有源標簽的網(wǎng)絡通信，降低能耗。如通過物理層鏈接協(xié)議，有源標簽可以獲取無源標簽上存儲的信息或者向無源標簽上傳遞信息，如圖3所示。有源標簽由IP協(xié)議簡化進行物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層的設計，提供面向物聯(lián)網(wǎng)的，能滿足物聯(lián)網(wǎng)標簽交互需求的應用，并由其轉發(fā)協(xié)議提供應用層的數(shù)據(jù)匯集與轉發(fā)。

圖3 有源標簽與無源標簽通信

4 上位機軟件功能

我們研究的物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)是以租賃中心衛(wèi)生裝備質量控制為基礎的，因此設計上位機應用軟件包括：（1）基本信息模塊：用于管理租賃設備基本信息，如名稱、規(guī)格型號、單價、入庫時間等；（2）租賃模塊：用于管理每臺設備的租借流水賬、計價及緊急調配等；（3）質量控制模塊：記錄每臺設備的質量控制情況，分為周期質量控制、維修后質量控制及流通過程質量控制3部分，其中流通過程質量控制包含定位模塊，用于獲取設備在院內流通的實時位置狀態(tài)及質量控制參數(shù)；（4）風險評估模塊：定期對設備質量狀況進行評估，包括接觸患者診斷或治療的臨床功能風險和導致診斷失誤的故障風險。具體功能模塊如圖4所示。

圖4 上位機軟件功能模塊

5 應用實例

以呼吸機為例，一旦呼吸機在流通過程中被RFID讀寫器識別，租賃中心值班人員即可通過上位機軟件查看呼吸機，包括設備基本信息，如設備名稱、規(guī)格型號、租賃編號、所在科室、租賃記錄、質量狀況等；同時RFID系統(tǒng)將實時采集環(huán)境傳感數(shù)據(jù)，獲得其工作環(huán)境溫濕度及呼吸機氣道壓力、通氣量等質量控制參數(shù)的動態(tài)信息；RFID讀寫器獲取到標簽信息后再通過無線網(wǎng)絡傳輸至信息科的數(shù)據(jù)庫服務器，由處于租賃中心的監(jiān)測平臺通過其URI獲取到所需的信息，從而完成設備質量監(jiān)控過程。其中，質量控制信息包含上次檢定日期、結果和下次檢定日期，若有維修記錄，則還應包含維修日期、維修信息描述及維修后檢定結果并重新設定下次檢定提醒。

6 討論

日常所謂的無線傳感網(wǎng)絡不管從網(wǎng)絡架構還是協(xié)議上均完全不同于物聯(lián)網(wǎng)[12]，針對的目標亦有一定差距。無線傳感網(wǎng)主要用于監(jiān)測未知的人或事，而物聯(lián)網(wǎng)則主要針對已知的事物，因此可以說從產(chǎn)業(yè)化角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還需要很長一段時間，現(xiàn)有敘述的應用還只是物聯(lián)網(wǎng)的基礎構建，不能算真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)應用。我們的研究可以解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用中普遍概括性的問題，針對衛(wèi)生裝備質量控制特定應用需求定制方案，研究物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的實現(xiàn)，使其更具針對性和可操作性，并在未來實際應用中繼續(xù)考慮網(wǎng)絡生命周期最大化及應用成本最小化等問題，同時進行有效、系統(tǒng)地持續(xù)調試和改進。

該系統(tǒng)的實現(xiàn)中其實還可以為整合有源RFID標簽與讀寫器功能，通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應用層的設計，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的3個基本特性：感知、傳遞及智能處理，即由物理層進行隨時隨地的感知信息獲取，鏈路層進行數(shù)據(jù)可靠傳遞，應用層進行數(shù)據(jù)匯聚及分析處理，使得標簽不僅完成數(shù)據(jù)的采集和耦合傳感，將數(shù)據(jù)傳至閱讀器，而且可同步實現(xiàn)其網(wǎng)絡傳輸應用功能。當然，要直接接入互聯(lián)網(wǎng)的標簽還應設計包括網(wǎng)絡層和傳輸層的網(wǎng)關。

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