基于WSNs的就診服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

姜　玲， 陳向東

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

基于WSNs的就診服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

姜玲， 陳向東

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611756)

摘要:針對(duì)醫(yī)院存在盜賣掛號(hào)單、病人盲目就醫(yī)和排隊(duì)長(zhǎng)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)就診服務(wù)系統(tǒng)，并對(duì)排隊(duì)現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化。因?yàn)橹讣y具有唯一性、穩(wěn)定性等特征，可以利用指紋識(shí)別技術(shù)驗(yàn)證病人身份避免盜賣掛號(hào)單的現(xiàn)象。采用JFreeChart圖表開(kāi)發(fā)技術(shù)繪制醫(yī)生醫(yī)技、態(tài)度和病人治療效果的綜合得分，病人可以有針對(duì)性的選擇適合自己的醫(yī)生?；贛atlab Builder JA實(shí)現(xiàn)排隊(duì)論模型的建立，在上位機(jī)界面科學(xué)、量化地對(duì)排隊(duì)現(xiàn)象進(jìn)行描述并優(yōu)化。通過(guò)配置最優(yōu)的醫(yī)生人數(shù)，使醫(yī)院服務(wù)的成本和病人等待損失的費(fèi)用之和最小。由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，作為本設(shè)計(jì)的無(wú)線通信技術(shù)并結(jié)合Internet技術(shù)，實(shí)現(xiàn)病人就診服務(wù)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)能有效地解決病人在就診中存在的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：就診服務(wù)； 指紋識(shí)別； JFreeChart； Matlab Builder JA

0引言

近幾年，病人到醫(yī)院就診存在很多問(wèn)題。掛號(hào)難、看病難、排隊(duì)長(zhǎng)已經(jīng)成為病人就醫(yī)十分嚴(yán)峻的問(wèn)題。首先盜賣掛號(hào)單的現(xiàn)象十分嚴(yán)重，病人一號(hào)難求。而且病人在就醫(yī)時(shí)，存在很大的盲目性，掛錯(cuò)號(hào)、選錯(cuò)科室的情況時(shí)有存在，病人不得不重新退號(hào)、排隊(duì)，造成不必要的浪費(fèi)[1]。病人“常排隊(duì)、排隊(duì)長(zhǎng)”的現(xiàn)象得不到改善，大部分時(shí)間用在排隊(duì)上，就診時(shí)間卻很短，而且在選擇醫(yī)生上存在很大的盲目性?；谝陨蠁?wèn)題，本文設(shè)計(jì)病人就診服務(wù)系統(tǒng)。將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中，利用指紋特征的唯一性對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行驗(yàn)證具有極高的安全性和易用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)病人身份的準(zhǔn)確識(shí)別，避免了盜賣掛號(hào)單的現(xiàn)象；設(shè)計(jì)病人評(píng)價(jià)模塊，病人通過(guò)對(duì)上位機(jī)界面對(duì)自己就診的醫(yī)生進(jìn)行客觀的評(píng)價(jià)，同時(shí)可以查看醫(yī)生的綜合得分，避免病人盲目就醫(yī)，做到科學(xué)就醫(yī)；針對(duì)排隊(duì)長(zhǎng)的現(xiàn)象，利用排隊(duì)論理論建立排隊(duì)論模型并對(duì)醫(yī)生人數(shù)的配置進(jìn)行優(yōu)化。

由于ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、易擴(kuò)展、自組織等特點(diǎn)，作為本設(shè)計(jì)無(wú)線通信的技術(shù)并結(jié)合Internet技術(shù)，通過(guò)上位機(jī)界面實(shí)現(xiàn)病人查看醫(yī)生綜合得分，醫(yī)院管理員建立排隊(duì)論模型并對(duì)排隊(duì)現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化等功能。

1系統(tǒng)組成與工作流程

病人就醫(yī)服務(wù)系統(tǒng)主要由底層ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、

GSM短消息提醒模塊和上位機(jī)管理系統(tǒng)組成。底層無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要由指紋識(shí)別掛號(hào)節(jié)點(diǎn)、指紋識(shí)別就診節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器組成。GSM短消息提醒模塊主要是用來(lái)通知馬上就診的病人。上位機(jī)管理系統(tǒng)是基于MVC模式的B/S架構(gòu)通過(guò)JavaWeb技術(shù)和SQLServer2005數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Diagram of system structure

當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建成功，病人在掛號(hào)窗口掛號(hào)時(shí)，通過(guò)指紋識(shí)別掛號(hào)節(jié)點(diǎn)采集指紋，對(duì)指紋進(jìn)行預(yù)處理及特征值提取，將其特征值保存到指紋特征數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將其個(gè)人相關(guān)信息保存到相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)獲得一個(gè)就診號(hào)，病人拿著就診號(hào)到指定的門診室排隊(duì)就診。病人到門診室就診時(shí)，需要通過(guò)指紋識(shí)別就診節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證其身份，采集的指紋與掛號(hào)節(jié)點(diǎn)錄入指紋的數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特征值進(jìn)行匹配，若匹配成功，方可就診。如果匹配不成功，就診節(jié)點(diǎn)則會(huì)產(chǎn)生聲光報(bào)警。如果馬上輪到某個(gè)病人就診，系統(tǒng)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)提前發(fā)送提醒短息給該病人，通知馬上到指定的門診室就診，以免錯(cuò)過(guò)治療。病人可以登錄上位機(jī)界面對(duì)就診的醫(yī)生進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，查看醫(yī)生的綜合得分，選擇適合自己的醫(yī)生，管理員在上位機(jī)界面建立排隊(duì)論模型并配置合適數(shù)目的醫(yī)生為病人看病。

2門診掛號(hào)與就診模塊設(shè)計(jì)

門診就診模塊主要由ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和GSM發(fā)送短信模塊組成。指紋識(shí)別掛號(hào)節(jié)點(diǎn)主要是采集病人的指紋，并將指紋的特征值保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中；就診節(jié)點(diǎn)主要用來(lái)驗(yàn)證病人身份；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息的路由；協(xié)調(diào)器主要是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入和匯聚各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，與上位機(jī)進(jìn)行串口通信[2]。下面著重介紹指紋識(shí)別就診節(jié)點(diǎn)和GSM發(fā)送短信的設(shè)計(jì)。

2.1指紋識(shí)別節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心模塊均采用的是TI公司CC2530芯片，它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

就診節(jié)點(diǎn)采用光學(xué)指紋采集模塊FPM10A作為指紋的采集、存儲(chǔ)和匹配，它由一個(gè)光學(xué)指紋傳感器和一片TI公司生產(chǎn)的DSP微處理器組成。其硬件設(shè)計(jì)主要包括CC2530節(jié)點(diǎn)模塊、光學(xué)指紋采集模塊FPM10A、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光報(bào)警電路、電源電路等外圍電路。

就診節(jié)點(diǎn)成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，醫(yī)生按下指紋采集按鍵，發(fā)送采集病人指紋的指令，當(dāng)采集到的病人指紋的特征值與數(shù)據(jù)庫(kù)中指紋模板特征值匹配成功，方可就診。匹配信息封裝成數(shù)據(jù)包通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表中顯示該病人狀態(tài)為已就診。若匹配不成功，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警，醫(yī)生拒絕給該病人治療。軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖2所示。

圖2　指紋識(shí)別就診節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)Fig 2　Software design of fingerprint identification node

2.2GSM發(fā)送提醒短息設(shè)計(jì)

GSM發(fā)送短信模塊采用的是德國(guó)Siemens公司的無(wú)線通信GSM模塊TC35。GSM模塊發(fā)送短信一般常用的有基于AT指令的Text模式和PDU(protocoldataunit)模式。雖然Text模式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，但不支持中文短信的發(fā)送。而PDU模式盡管開(kāi)發(fā)起來(lái)比較復(fù)雜，但同時(shí)支持中文和英文短信的發(fā)送[3]。因?yàn)樵撓到y(tǒng)是向病人發(fā)送提醒消息，故選擇PDU模式，當(dāng)病人到門診就診之后，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)表中的狀態(tài)為已就診，而沒(méi)有就診的病人狀態(tài)則為未就診，發(fā)送短信軟件設(shè)計(jì)的流程圖如圖3所示。

圖3　GSM發(fā)送短信流程圖Fig 3　Flow chart of GSM message sending

3病人評(píng)價(jià)模塊設(shè)計(jì)

病人通過(guò)上位機(jī)界面對(duì)就診的醫(yī)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。上位機(jī)系統(tǒng)是基于MVC模式的B/S架構(gòu)的上位機(jī)管理系統(tǒng)。病人就診之后，對(duì)醫(yī)生的態(tài)度、醫(yī)技和治療效果進(jìn)行客觀的打分，分?jǐn)?shù)會(huì)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，采用JFreeChart繪制醫(yī)生的綜合得分柱狀圖。JFreeChart是采用Java語(yǔ)言編寫的圖表開(kāi)發(fā)工具包，使用Java類庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于Web繪制各種圖表[4]。病人對(duì)醫(yī)生的評(píng)價(jià)的分?jǐn)?shù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，JFreeChart獲取數(shù)據(jù)表中的集合對(duì)象在JSP頁(yè)面中生成醫(yī)生態(tài)度、醫(yī)技和治療病人的效果得分柱狀圖的圖表。醫(yī)生綜合得分如圖4所示。

圖4　醫(yī)生綜合得分柱狀圖Fig 4　Bar charts of doctors’scores

4排隊(duì)論模型的建立與優(yōu)化

病人到門診就診，“常排隊(duì)，排隊(duì)長(zhǎng)”的現(xiàn)象得不到改善。如果醫(yī)院只是盲目性的增加醫(yī)生，則會(huì)造成不必要的資源浪費(fèi)。如何合理、科學(xué)的安排醫(yī)生，使病人排隊(duì)的時(shí)間盡可能的縮短，同時(shí)降低醫(yī)院的服務(wù)費(fèi)用，是建立排隊(duì)論模型的關(guān)鍵。

從費(fèi)用上對(duì)排隊(duì)論模型進(jìn)行優(yōu)化，一般來(lái)說(shuō)有兩種費(fèi)用：一種是病人在等待治療時(shí)的等待損失費(fèi)用，另一種是診室醫(yī)生為病人治療的服務(wù)成本費(fèi)用。設(shè)總費(fèi)用為病人等待損失費(fèi)用與診室的服務(wù)成本費(fèi)用之和[5]，當(dāng)總費(fèi)用的最小值存在時(shí)，即是圖5中的總費(fèi)用達(dá)到最低點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的醫(yī)生人數(shù)即為最優(yōu)的數(shù)目。

圖5　醫(yī)生人數(shù)與費(fèi)用的關(guān)系[5]Fig 5　Relationship between number of on-dutydoctors and costs[5]

4.1排隊(duì)論模型的建立

排隊(duì)論，是研究服務(wù)對(duì)象在排隊(duì)系統(tǒng)中等待服務(wù)的一門數(shù)學(xué)運(yùn)籌學(xué)的分支學(xué)科，也是研究服務(wù)系統(tǒng)中排隊(duì)現(xiàn)象隨機(jī)規(guī)律的學(xué)科，主要由三部分組成：輸入過(guò)程、排隊(duì)規(guī)則和服務(wù)機(jī)構(gòu)[6]。

病人到達(dá)醫(yī)院的過(guò)程是隨機(jī)的，互不干擾的，穩(wěn)定的，相繼到達(dá)的時(shí)間間隔也是隨機(jī)的。一般病人到達(dá)的過(guò)程服從泊松流，病人到達(dá)的時(shí)間間隔服從負(fù)指數(shù)分布。排隊(duì)規(guī)則主要有損失制、等待制和混合制[7]。在本設(shè)計(jì)中選擇等待制中的先來(lái)先服務(wù)規(guī)則。服務(wù)結(jié)構(gòu)指門診醫(yī)生，服務(wù)臺(tái)數(shù)目為多臺(tái)，排隊(duì)論模型主要由輸入過(guò)程(X為病人到達(dá)時(shí)間間隔分布)、服務(wù)時(shí)間(Y)、服務(wù)臺(tái)并聯(lián)個(gè)數(shù)(Z)來(lái)描述，用X/Y/Z表示，因此建立排隊(duì)論M/M/C模型。根據(jù)李特爾公式，排隊(duì)論相關(guān)指標(biāo)計(jì)算公式如下：

系統(tǒng)的服務(wù)強(qiáng)度

ρ=λ/sμ

(1)

服務(wù)臺(tái)空閑概率

(2)

排隊(duì)等待人數(shù)

(3)

系統(tǒng)中平均逗留人數(shù)

Ls=Lq+sρ

(4)

病人在系統(tǒng)中平均排隊(duì)等待的時(shí)間

(5)

病人平均逗留時(shí)間

(6)

式中ρ為每個(gè)服務(wù)臺(tái)單位時(shí)間內(nèi)的平均服務(wù)時(shí)間，λ為病人平均到達(dá)率，μ為平均服務(wù)率。

4.2排隊(duì)論仿真與優(yōu)化

基于MatlabBuilderJA和JavaWeb技術(shù)實(shí)現(xiàn)M/M/C模型的建立。MatlabBuilderJA將M函數(shù)文件創(chuàng)建成一個(gè)Java組件，它支持Matlab的所有功能[8]。首先在Matlab中編寫排隊(duì)論程序，采用MatlabBuilderJA編譯器將進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的m文件編譯成相應(yīng)的jar包，在MyEclipse中編寫調(diào)用它的Servlet程序，并將其部署到Tomcat服務(wù)器中，在B/S架構(gòu)下通過(guò)上位機(jī)界面中輸入Matlab程序參數(shù)并提交給服務(wù)器，服務(wù)器結(jié)合WebFigure圖形方式的使用，調(diào)用MCR完成所需的計(jì)算，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀地返回，實(shí)現(xiàn)了交互式操作[8]。

對(duì)于M/M/C排隊(duì)論模型，設(shè)總費(fèi)用為z=as+bLs,其中,a為單位時(shí)間內(nèi)平均每個(gè)醫(yī)生的服務(wù)成本，s為醫(yī)生的個(gè)數(shù)，b為單位時(shí)間內(nèi)平均每個(gè)病人排隊(duì)等待的損失成本，Ls為平均的排隊(duì)長(zhǎng)。假設(shè)參數(shù)如下：病人平均到達(dá)率為0.5人/min，平均服務(wù)率為0.125人/min，病人單位時(shí)間等待的成本為30元/h，醫(yī)生單位時(shí)間服務(wù)的成本為80元/h。當(dāng)設(shè)置2個(gè)醫(yī)生，仿真得到的結(jié)果如圖6所示。

圖6　設(shè)置2個(gè)醫(yī)生的仿真結(jié)果Fig 6　Simulation results of setting two doctors

從圖6可知:有些病人的離開(kāi)時(shí)刻減去到達(dá)時(shí)刻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了30min，而且病人隨著人數(shù)的增加，等待時(shí)間和逗留時(shí)間逐漸遞增。當(dāng)設(shè)置6個(gè)醫(yī)生時(shí)，仿真得到的結(jié)果如圖7所示。

圖7　設(shè)置6個(gè)醫(yī)生的仿真結(jié)果Fig 7　Simulation results of setting six doctors

從圖7可知:病人的離開(kāi)時(shí)刻明顯變小，離開(kāi)時(shí)刻減去到達(dá)時(shí)刻最多都不會(huì)超過(guò)30min，而且病人的等待時(shí)間減少，逗留時(shí)間呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性。當(dāng)配置不同數(shù)目的醫(yī)生，總費(fèi)用如表1所示。

表1　配置不同數(shù)目的醫(yī)生對(duì)應(yīng)的總成本

根據(jù)表1可知:當(dāng)醫(yī)生人數(shù)從3人增加到6人，成本逐漸降低又升高，當(dāng)配置醫(yī)生人數(shù)為5人時(shí)，總費(fèi)用為最低,因此,配置5個(gè)醫(yī)生是最優(yōu)的數(shù)目。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)病人就診服務(wù)系統(tǒng)，利用指紋識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)病人身份的準(zhǔn)確識(shí)別；采用JFreeChart組件繪制醫(yī)生得分的柱狀圖；建立排隊(duì)論模型并對(duì)其優(yōu)化，當(dāng)配置醫(yī)生人數(shù)為5個(gè)時(shí)，是最優(yōu)的數(shù)目。

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DesignandoptimizationofmedicalservicesystembasedonWSNs

JIANGLing，CHENXiang-dong

(SchoolofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu611756,China)

Abstract:Aiming at problems such as scalpers sell numbers at a high price,patients see a doctor blindly and often queuing in hospital, a medical service system is designed and queuing phenomenon is improved.Because fingerprint has some characteristics,such as uniqueness and stability,and so on, which can be used to verify identity of patients.Based on the way of making charts by JFreeChart which draws bar charts that visually demonstrates the grades of doctors’ medical technology,attitude and patients’ treatment effect,so that patients can chose a doctor aimly.Using Matlab Builder JA builts a queuing model based on queuing theory,scientificly and quantitatively describe and optimize phenomenon of queuing on upper PC.By configuring the optimal number of doctors,minimize the total costs of patients waiting and doctor’s service.Because ZigBee technology has characteristics of low power consumption and low cost,which is regarded as wireless communication technology and combined with Internet technology to achieve medical service system for patients.Experiment shows that the system can effectively solve existing problems of medical service for patients.

Key words:medical service; fingerprint identification; JFreeChart; Matlab Builder JA

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0104—04

收稿日期：2015—07—17

中圖分類號(hào)：TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0104—04

作者簡(jiǎn)介:

姜玲(1994-)，女，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)。