基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)設計

(海軍青島第一療養(yǎng)院 信息經管科，山東 青島 266071)

0 引言

隨著計算機和網絡技術的不斷發(fā)展，醫(yī)院的人、財、物管理的各個環(huán)節(jié)都已依靠計算機運營，從收費到影像傳輸、檢驗結果傳送、醫(yī)囑，計算機已在醫(yī)院得到廣泛的應用[1]。醫(yī)院的信息設備系統(tǒng)、醫(yī)療弱電系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性都不可忽略，因此醫(yī)院安防控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

Ad Hoc網絡起源于20世紀，又名自組織網絡。所謂的自組織網絡指的是計算機網絡和移動通訊相結合的網絡，用戶終端在網內任意移動時，均可保持通信，它是綜合了無線通信網絡、抗毀自適應網絡和全球移動信息網絡3種組網思想而產生的一種新型自組織對等式多跳無線網絡，是當前通信領域的重要發(fā)展方向之一，用戶終端可以是筆記本、手機、PDA等[2]。Ad Hoc網絡實質上是一種邏輯網絡，理論上可以通過藍牙、GRPS、WLAN等無線連接進行組建，具有很強的兼容性、網絡健壯感、傳輸帶寬的優(yōu)勢。Ad Hoc網絡中沒有固定的基站，網絡中的每個節(jié)點都具備數(shù)據的接收和轉發(fā)功能，能夠與其他節(jié)點自動保持通信。每個節(jié)點都是一個路由器，需要運行相應的路由協(xié)議，能夠完成發(fā)現(xiàn)和維持其它節(jié)點的路由功能[3]。網絡中的節(jié)點間的通信可以經過多跳，也就是經過多個中間節(jié)點進行轉發(fā)，達到通信的功能，這也是Ad Hoc網絡區(qū)別于其它移動網絡的根本[4]。

本文基于Ad Hoc網絡對醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的硬件和軟件框架進行設計，根據所設計框架闡述了醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的工作流程，通過實驗驗證了基于Ad Hoc網絡建設的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的可行性。

1 醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)硬件設計

Ad Hoc網絡技術具有專門性、獨立性的特點，它的網絡拓撲結構是動態(tài)變化的，無線通信帶寬、物理安全和主機能源有限，生存周期短。Ad Hoc網絡的分布式控制和無中心網絡結構，這就增強了網絡的抗毀性，能夠在部分網絡遭到破壞后，仍保持剩余通訊能力[5]。

圖1 Ad Hoc網絡的簡單模型圖

Ad Hoc網絡是一種多跳網絡，可以在不存在基站、固定結構、基礎設施的環(huán)境中快速組成無線通信網絡。圖1為Ad Hoc網絡的簡單模型，如圖1所示，Ad Hoc網絡中的每個節(jié)點都能夠與其他節(jié)點自動保持通信，當其中兩個節(jié)點不在直接通信范圍內時，它們會將中間節(jié)點作為中繼，完成相互間的數(shù)據交換[6]。Ad Hoc網絡中的每一個節(jié)點都是無線發(fā)射結點，理論上它們的信號覆蓋范圍與節(jié)點發(fā)射功率有關。信號覆蓋范圍指的是在信號強度保持一定值時所達到的最大覆蓋范圍。圖中有A、B、C共3個網絡節(jié)點，它們在地位上是對等的。假設節(jié)點A、B、C有效信號的覆蓋范圍半徑分別為RA、RB、RC，節(jié)點A、B之間距離為LAB，節(jié)點A、C之間距離為LAC，節(jié)點B、C之間距離為LBC。其中，LABRC，節(jié)點A、C不在彼此覆蓋范圍內，不能直接進行通信，但可以通過中間的節(jié)點B作為中繼，進行通信[7]。

圖2 醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的Ad Hoc網絡結構

醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的Ad Hoc網絡是有線Internet網和分層無線網相結合的動態(tài)網絡拓撲結構。該網絡可以實現(xiàn)急診、門診、醫(yī)技、手術、病房及行政辦公室、信息機房等站點間的通訊，也可以為普通用戶提供無線接入點，實現(xiàn)無線通信。如圖2所示，醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的Ad Hoc網絡由控制中心工作站、無線接入點和移動節(jié)點三部分組成，網絡數(shù)據間的交換有兩種方式：一種是控制中心工作站與具有無線接入功能的節(jié)點之間基于有線媒介的通信；另一種是各移動節(jié)點之間和移動節(jié)點與無線接入點之間基于無線媒介的數(shù)據交換。醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的Ad Hoc網絡平臺可以實現(xiàn)人機界面上的集中管理、分散控制等功能[8]。

圖3 醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)硬件設計

如圖3所示，基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)硬件設計包括圖像采集與處理模塊、報警信號采集與輸入模塊、電源模塊、報警輸出模塊、控制及處理模塊、GPRS模塊幾部分，不同模塊之間以Ad Hoc網絡連接。

主控模塊由FLASH、SDRAM、Ad Hoc網絡控制中心工作站及相關外圍電路組成。Ad Hoc網絡控制中心工作站主要用于連接其他模塊，需要完成報警輸入輸出、傳輸視頻數(shù)據、GPRS網絡等功能，因此系統(tǒng)選用通用I/O接口。FLASH是一種可在線進行多次擦除的非易失性存儲器，選用AM29A型芯片，用于存放引導代碼和系統(tǒng)源程序，具有小體積、低功耗、高性能的特征。SDRAM是一種嵌入式易失性儲存器，可以直接與處理器進行數(shù)據交換。SDRAM選用容量為8 GB的ARM9Ts型高速動態(tài)隨機存儲器，能滿足整個系統(tǒng)對儲存器的要求。

圖像采集與處理模塊中主要采用ZC115型攝像頭進行視頻信息的采集，然后經由遠傳編碼器將錄制的視頻文件進行壓縮，經由外部接口傳遞至調制解調器，再傳遞至視頻處理器中。ZC115型攝像頭是一種高分辨率、高捕獲速度、高像素的數(shù)字攝像頭，是由并聯(lián)電路進行圖像捕獲。視頻監(jiān)控系統(tǒng)將錄制的視頻文件進行壓縮，有利于保證錄像的清晰度和效果。圖像分析處理器主要用于處理視頻監(jiān)控設備收集的視頻信息，處理器將解壓后的視頻信息進行分類處理、整合、儲存，傳遞至手機、計算機等終端，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和管理。數(shù)據處理器是由丹麥VRA公司研制的最新處理器RC2450型處理器，它對數(shù)據信息的處理、儲存等功能可靠性高達98%[9]。

報警信號采集與輸入模塊和輸出模塊，主要由探測器、控制器和報警設備組成。探測器具有防拆保護和防破壞保護功能，當遭受破壞、拆卸或線路短路時，探測器都會產生報警。由于輸入輸出信號具有很強的電流，會對系統(tǒng)產生較大干擾。系統(tǒng)加入TTL521型隔離繼電器，將報警模塊輸入輸出的信號進行隔離，以降低外部干擾信號對系統(tǒng)的影響。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，報警設備將會啟動，與之相連接的控制及處理設備也會立即響應，對整個醫(yī)院安防網絡進行控制，以保證醫(yī)院系統(tǒng)的正常運行以及數(shù)據的安全性。

GPRS模塊采用TCP/IP網絡協(xié)議進行通信，為用戶提供無線接口，并且采用撥打電話和短信的方式與管理者手機進行通信，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控和報警。這實現(xiàn)了安防報警、記錄證據、遠程監(jiān)控的實時性。

當電路正常運行時，電源模塊起到調節(jié)電壓和電流的作用。當電路異常而斷電時，電源模塊的備用電池將自動啟動，以保證系統(tǒng)的正常運行。

2 醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)軟件設計

基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)主要包括以下幾項智能化要求：以自動化監(jiān)控管理形式實行的安全防范系統(tǒng)；以溫、煙、可燃氣探測器為主體的火災報警系統(tǒng)；以紅外、微波探測器為主體的防盜報警系統(tǒng)；起集中管理控制功能的計算機安全綜合管理系統(tǒng)[10]。圖4為基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)軟件設計。

圖4 醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)軟件設計

如圖4所示，基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)軟件工作是一個較為復雜的過程，具體過程如下：

首先將系統(tǒng)、終端初始化，進行系統(tǒng)設置，判斷系統(tǒng)是否存在報警中斷，若存在則進行報警監(jiān)控。報警監(jiān)控一方面進行GPRS報警監(jiān)控，另一方面進行攝像頭拍攝和圖像的采集壓縮[11]。GPRS報警監(jiān)控通訊程序是用AT指令編寫，具體流程包括GPRS模塊的初始化、參數(shù)設定、短信報警發(fā)送、接收和撥打電話，從而完成數(shù)據的無線收發(fā)。攝像頭拍攝采集處理的程如下：圖像采集攝像頭芯片初始化、寄存器控制程序初始化、參數(shù)控制設定、數(shù)據脈沖進行編碼外傳、解調轉換、處理輸出、存儲。將采集到的視頻信息數(shù)字化，以合適的編碼方式進行壓縮傳送、解壓輸出，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對應的視頻處理器將視頻進行序列分析，利用特定的算法，將出現(xiàn)在視頻中的人員具體情況進行數(shù)字圖像處理，對人員進行計數(shù)，并對人員移動速度進行記錄和分析。監(jiān)控程序可以進行人工控制和自動邏輯，可以對安全監(jiān)控的歷史數(shù)據進行查詢。

報警信息以及圖像數(shù)據的傳輸、輸出都依靠于Ad Hoc網絡。Ad Hoc網絡作為一種分布式無線移動網絡，不需要依賴大量固定的基礎通信設備，只需對系統(tǒng)的wifi進行配置管理，進行周期性維護和更新，從而獲得Ad Hoc網絡范圍內的終端信息。終端發(fā)起路由的建立和查詢，并實時維護路由信息。中心節(jié)點和目的節(jié)點等服務器端則對終端進行響應，實現(xiàn)數(shù)據通信管理。Ad Hoc網絡具有的高抗毀性、強自組織能力和高靈活性，這既保證了信息的實時性、準確性，又保證了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[12]。

若是系統(tǒng)未出現(xiàn)報警中斷，則啟動遠程監(jiān)控模塊，進行GPRS遠程監(jiān)控。根據監(jiān)控的實際情況判斷控制及處理模塊是否需要啟動。若是需要，則對系統(tǒng)進行控制和安防處理；若不需要，則返回報警監(jiān)控程序。

3 實驗研究

為了檢測本文基于Ad Hoc網絡的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的實際工作效果，與傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)進行對比，設計了對比實驗。

3.1 實驗參數(shù)

實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗參數(shù)

3.2 實驗過程

根據上述設定的參數(shù)進行實驗，將傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)和本文基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)，分別記錄系統(tǒng)的運維花費成本和抗干擾能力測試，根據兩個實驗結果分析兩種醫(yī)院安防控制系統(tǒng)的工作效果。

3.3 實驗結果與分析

得到的實驗結果如圖5所示。

圖5 運維成本實驗結果

3.3.1 運維花費成本

觀察圖5，隨著醫(yī)院安防控制系統(tǒng)覆蓋面積的增大，建立系統(tǒng)花費的成本也會增加。當安防控制系統(tǒng)覆蓋面積為100 m2時，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.30萬元，本文的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為0.75萬元；當安防控制系統(tǒng)覆蓋面積為200 m2時，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.50萬元，本文的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為0.81萬元；當安防控制系統(tǒng)覆蓋面積為300 m2時，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.80萬元，本文的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.00萬元；當安防控制系統(tǒng)覆蓋面積為400 m2時，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為2.20萬元，本文的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.15萬元；當安防控制系統(tǒng)覆蓋面積為500 m2時，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為2.72萬元，本文的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)需要花費的成本為1.51萬元。

3.3.2 抗干擾能力測試

由圖6和圖7可知，傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)受到抗干擾測試時，干擾值在-10～10之間，而本文基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)受到抗干擾測試時，干擾值在-2.5～2.5之間。本文基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的抗干擾能力明顯高于傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)，從而提高了整個系統(tǒng)的精確性。

圖6 傳統(tǒng)系統(tǒng)抗干擾能力測試 圖7 本文系統(tǒng)抗干擾能力測試

3.4 實驗結論

根據上述實驗結果，得到如下實驗結論：傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)和本文基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)在一定程度上都能夠保證醫(yī)院系統(tǒng)的安全，但是基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)運行花費的成本要遠遠小于傳統(tǒng)的醫(yī)院安防控制系統(tǒng)，并且，該醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)的抗干擾能力更強，系統(tǒng)精度更高，安全性更高，維護方式更加簡便。

隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展，人們對生活、工作環(huán)境的要求不斷提高，社會已跨進數(shù)字化、網絡化和智能化，不同程度的智能化產品、設備層出不窮的出現(xiàn)。多功能智能安防系統(tǒng)對室內的各種緊急意外事故自動發(fā)出報警信息并及時控制處理對人們的生活、工作安全尤為重要。隨著電子通訊技術的飛速發(fā)展，家庭、醫(yī)院、倉庫、辦公室等處的安全防范和自動報警系統(tǒng)得到不斷更新，智能安防控制系統(tǒng)是今后的發(fā)展趨勢。智能安防控制系統(tǒng)既具有防盜、防火等功能，還包括系統(tǒng)傳輸數(shù)據信息的安全。值班室主控計算機可以對報警信息進行集中管理和準確顯示，以保證整個系統(tǒng)范圍的安全性。市面上的各種安全防范和自動報警設備，會由于其功能單一、成本較高或可靠性較差等因素而難以得到普及。開發(fā)一種低價位、可靠性高、適合特定環(huán)境的多功能智能安防系統(tǒng)勢在必行。

無線接入有線網絡是通訊的未來發(fā)展方向。Ad Hoc網絡作為一種分布式無線移動網絡，沒有中心節(jié)點，不依賴固定的基礎通信設備，具有很強的抗毀性和自組織能力，在早先使用時適用于搶險救災、軍事通信等臨時需要通信或無法實現(xiàn)有線網絡支持的環(huán)境。而隨著科學技術的發(fā)展，手機應用和WLAN技術得到普及，這就為使用手機終端組建Ad Hoc網絡奠定了基礎，從而推進了Ad Hoc網絡的廣泛應用。

綜上所述，本文基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)成本低、效率高、穩(wěn)定性強、抗干擾性強，能夠有效降低人工勞動強度，具有很好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結束語

基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)是一個集硬件與軟件為一體、由接入點和移動節(jié)點共同組成的系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)易于拓展，從而組建大范圍安防控制系統(tǒng)。當系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，能夠及時報警并發(fā)送信息至管理員手機，從而是問題及時處理，保證系統(tǒng)正常運行。并且，利用先進的通信技術，通過Ad Hoc網絡實現(xiàn)遠程機房自動監(jiān)控，解決了醫(yī)院網絡機房無人值班而帶來的安全隱患，同時減少了人力和物力的消耗，保障了醫(yī)院系統(tǒng)的安全可靠運行。

本文研究的基于Ad Hoc網絡建立的醫(yī)院智能安防控制系統(tǒng)雖然具備一系列優(yōu)點，但缺少一定的實際操作基礎，在未來的使用中可能存在一些潛在問題，需要進一步研究和探討。