基于WSN與RFID的住院患者體溫采集系統(tǒng)的研究

陳妮妮 張環(huán) 耿永杰

摘 要：目前，我國大多數(shù)醫(yī)院對于住院患者的體溫采集仍采用傳統(tǒng)的人工測量與錄入，傳統(tǒng)的體溫采集方式存在測量誤差大，反饋不及時(shí)，醫(yī)護(hù)人員工作量大等弊端。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn)，醫(yī)療設(shè)備的智能化、信息化、自動化成為了迫切需求。因此，為了解決上述弊端，該文提出了基于WSN與RFID技術(shù)的住院患者體溫采集系統(tǒng)，并進(jìn)一步闡述了WSN與RFID技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，然后對二者融合后的防碰撞算法進(jìn)行了重點(diǎn)研究與論述，最終通過MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：RFID 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ALOHA算法 MATLAB

中圖分類號：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0248-02

隨著臨床信息系統(tǒng)（CIS）與電子病歷的發(fā)展與應(yīng)用，大量醫(yī)療文書從紙質(zhì)文檔轉(zhuǎn)為電子文檔。然而，目前大多數(shù)醫(yī)院中，護(hù)理人員對患者的體溫采集方式仍停留在手工錄入的階段，護(hù)士需要對患者的體溫測量后需要通過手工記錄后再錄入計(jì)算機(jī)，導(dǎo)致信息反饋不及時(shí)。另外，護(hù)士需要每天往返于病房對患者進(jìn)行多次測量及錄入，極大的浪費(fèi)了勞動力。手工抄錄難免會產(chǎn)生錯(cuò)抄漏抄、字跡不清等現(xiàn)象，從而影響患者體溫記錄的準(zhǔn)確性。在這種背景下，智能化的體溫采集系統(tǒng)的開發(fā)對于解決上述問題和促進(jìn)現(xiàn)代醫(yī)療科技發(fā)展具有重要意義。

1 RFID與WSN網(wǎng)絡(luò)的融合

無線射頻識別技術(shù)（RFID），是一種非接觸式自動識別技術(shù)[1]，但是這種技術(shù)不能主動采集有關(guān)物體的其它信息，并且不具備組網(wǎng)通信的能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSN）是由傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸[2]，但是不具備識別物體身份的能力。二者在技術(shù)上的互補(bǔ)性使得它們的融合展現(xiàn)出很大優(yōu)勢。

RFID與WSN的融合方式有多種，該系統(tǒng)采用將RFID閱讀器與WSN傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合的方案。在融合后的網(wǎng)絡(luò)里存在3種設(shè)備：集成WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的智能閱讀器，普通的RFID診療卡以及協(xié)調(diào)器。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)防碰撞算法

在該系統(tǒng)中，護(hù)理人員對患者的體溫采集通常需要在規(guī)定的某一段時(shí)間內(nèi)完成，因此，很可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)包擁塞的現(xiàn)象。為了解決碰撞問題，該系統(tǒng)采用RFID通信中的ALOHA防碰撞算法來解決。ALOHA算法主要有純ALOHA算法，時(shí)隙ALOHA算法。該文將運(yùn)用MATLAB軟件對這2種算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并最終得出結(jié)論。

2.1 純ALOHA算法

ALOHA算法是一種無規(guī)則的時(shí)分多路的多路存取方法[3]。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，若節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)單獨(dú)發(fā)送數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)包不會產(chǎn)生沖突。若是多個(gè)數(shù)據(jù)包在同一段時(shí)間內(nèi)占用信道，則數(shù)據(jù)包就會發(fā)生碰撞。圖1是純ALOHA算法的示意圖。

在數(shù)據(jù)通信中，吞吐率S是單位時(shí)間內(nèi)成功完成通信的次數(shù)。輸入負(fù)載G為平均交換的數(shù)據(jù)包量，可用如下關(guān)系式表示：

（1）

上式中，n代表節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)，rn代表節(jié)點(diǎn)n在時(shí)間T內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量。在通信時(shí)間T內(nèi)，無錯(cuò)誤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包數(shù)量的概率P（k）可以表示為：

（2）

在T=2τ時(shí)間內(nèi)無其他節(jié)點(diǎn)響應(yīng)表示沒有發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞，其概率可以表示為如下關(guān)系式：

（3）

ALOHA算法的吞吐率S表達(dá)式為：

（4）

將式（4）對G求導(dǎo)，可以得出在G取值為0.5時(shí)，吞吐率S達(dá)到最大，S約為18.4%。

2.2 時(shí)隙ALOHA算法

時(shí)隙ALOHA算法是將時(shí)間域劃分為多個(gè)等長的時(shí)隙，規(guī)定數(shù)據(jù)只能在時(shí)隙開始時(shí)才能傳送[4]。時(shí)隙ALOHA算法示意圖如圖2所示。

時(shí)隙ALOHA算法使得數(shù)據(jù)包要么成功發(fā)送，要么完全碰撞，這樣發(fā)生碰撞的時(shí)長就由純ALOHA算法中的2τ縮短為τ，可以得出在T=τ的通信時(shí)間內(nèi)無其他標(biāo)簽響應(yīng)的概率為：

（5）

時(shí)隙ALOHA算法的吞吐率S表達(dá)式如下：

（6）

將式（6）對G求導(dǎo)可得：當(dāng)平均數(shù)據(jù)包交換量G=1時(shí)，吞吐率 S 達(dá)到最大值，約為36.8%。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

該文利用MATLAB7.0仿真軟件對純ALOHA算法和時(shí)隙ALOHA算法進(jìn)行仿真比較。

分析比較圖3不難看出：純ALOHA算法中，當(dāng)G=0.5時(shí)，吞吐率S達(dá)到最大值，而時(shí)隙ALOHA算法中，當(dāng)G=1時(shí)，吞吐率S才達(dá)到最大值。時(shí)隙ALOHA算法發(fā)生碰撞的時(shí)間只有純 ALOHA 算法的一半，因此，選擇時(shí)隙ALOHA算法作為該系統(tǒng)的防碰撞算法。

4 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)醫(yī)院住院患者體溫采集的自動化、智能化，該系統(tǒng)將基于WSN技術(shù)的體溫采集節(jié)點(diǎn)與基于RFID技術(shù)的診療卡進(jìn)行融合。對于融合后網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包碰撞的現(xiàn)象，該文采用了ALOHA算法，并通過MATLAB實(shí)驗(yàn)仿真比較了兩種ALOHA算法，最終得出時(shí)隙ALOHA算法更適合本系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉念.基于動態(tài)幀時(shí)隙ALOHA防碰撞算法研究[D].上海師范大學(xué)，2014.

[2] 梁龍.RFID與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合研究及應(yīng)用實(shí)踐[D].電子科技大學(xué)，2009.

[3] 江雨.物聯(lián)網(wǎng)中RFID標(biāo)簽防碰撞算法研究[D].西北師范大學(xué)，2012.

[4] 曲濤濤，閻芳.RFID與WSN技術(shù)融合理論研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013（3）：30-34.

[5] 聶濤，陸陽，張鵬.RFID與WSN在物聯(lián)網(wǎng)下協(xié)同機(jī)制的分析[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011（6）：2006-2010.