基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療垃圾回收設(shè)備與溯源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭夢(mèng)喬，黃昭縣，寧玉富，王雙雙，王樹宇

（山東青年政治學(xué)院，山東 濟(jì)南 250400）

0 引 言

隨著我國醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)的不斷發(fā)展，醫(yī)院產(chǎn)生的醫(yī)療廢物數(shù)量逐年劇增，醫(yī)療廢物的處置和回收問題也日益突出。2020年新冠疫情暴發(fā)，醫(yī)療耗材廢物量激增，也進(jìn)一步暴露出了我國醫(yī)療垃圾回收處理體系的不完善。另外，還存在醫(yī)療垃圾的非法回收現(xiàn)象，給人們帶來了巨大的危害。醫(yī)療垃圾如何回收并處理問題倍受關(guān)注。

本文研發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療垃圾回收設(shè)備與溯源管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）對(duì)醫(yī)療垃圾進(jìn)行識(shí)別，輔以外圍傳感器以及阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（IoT），結(jié)合溯源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療垃圾的閉環(huán)回收。醫(yī)療垃圾回收設(shè)備可通過掃描二維碼獲得待回收垃圾清單，工作人員將垃圾放入回收設(shè)備后，回收設(shè)備自動(dòng)對(duì)垃圾進(jìn)行識(shí)別，并將信息展示在網(wǎng)頁端。后臺(tái)的溯源管理系統(tǒng)可以對(duì)醫(yī)療垃圾回收設(shè)備進(jìn)行管理，并對(duì)醫(yī)療垃圾回收情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療垃圾回收的監(jiān)管。對(duì)該系統(tǒng)在醫(yī)療物品進(jìn)醫(yī)院、醫(yī)療垃圾回收、最終垃圾匯總、設(shè)備數(shù)據(jù)管理和信息安全等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以達(dá)到醫(yī)療垃圾的閉環(huán)回收和精準(zhǔn)溯源的目的。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是采用過程化分解思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，包括醫(yī)療物品進(jìn)入醫(yī)院、醫(yī)療垃圾回收、最終垃圾匯總、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及信息安全等方面。智能醫(yī)療垃圾回收設(shè)備和溯源管理系統(tǒng)通信采用TCP/IP技術(shù)設(shè)計(jì)專門的通信協(xié)議。設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)框架

1.1 系統(tǒng)的工作流程

本系統(tǒng)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)三大流程為：醫(yī)療物品進(jìn)醫(yī)院、醫(yī)療垃圾回收過程、最終垃圾匯總。對(duì)系統(tǒng)工作流程進(jìn)行了如下細(xì)化。

1.1.1 醫(yī)療物品進(jìn)醫(yī)院過程

對(duì)供應(yīng)鏈中進(jìn)入醫(yī)院的醫(yī)療物品輸入個(gè)數(shù)，RFID讀寫系統(tǒng)會(huì)生成互不重復(fù)的相應(yīng)的協(xié)議碼發(fā)送到本地，生成唯一的RFID標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)不同種類的醫(yī)療物品進(jìn)行分類和編碼。對(duì)于小型且量大的耗材，諸如導(dǎo)管、藥液瓶和注射器等，其標(biāo)簽隨包裝袋信息輸入，并可以通過條碼輔助進(jìn)行信息錄入[1]。

1.1.2 醫(yī)療垃圾回收過程

工作人員通過人臉識(shí)別登錄管理系統(tǒng)[2]，通過掃碼槍得到垃圾回收清單，垃圾回收設(shè)備進(jìn)入工作模式。通過連接WiFi進(jìn)行模糊識(shí)別，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療垃圾回收設(shè)備工作區(qū)域的限定，達(dá)到區(qū)域可控；在醫(yī)療垃圾靠近指定區(qū)域時(shí)，指定類別的垃圾回收設(shè)備上的垃圾桶蓋會(huì)自動(dòng)打開，并設(shè)計(jì)垃圾桶進(jìn)行投送分離，減少人與垃圾和設(shè)備接觸，從而降低病毒傳播的風(fēng)險(xiǎn)。

垃圾進(jìn)入垃圾回收設(shè)備后RFID識(shí)別其類型并將信息記入系統(tǒng)內(nèi)[3]，垃圾回收設(shè)備內(nèi)的臭氧系統(tǒng)開始工作，對(duì)設(shè)備內(nèi)的垃圾進(jìn)行初步的消毒處理。在垃圾回收過程中終端和服務(wù)器保持心跳聯(lián)動(dòng)，保證終端所有操作流程均在設(shè)備管理系統(tǒng)的監(jiān)控下；回收人員可通過智能垃圾回收設(shè)備上的顯示屏看到垃圾回收以及帶有明顯標(biāo)注的未收垃圾情況，方便實(shí)時(shí)查看。

（1）識(shí)別管理方面

硬件設(shè)備向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，數(shù)據(jù)由服務(wù)端進(jìn)行處理，并且將數(shù)據(jù)展示在軟件端，包含網(wǎng)頁端和微信小程序端，并且均有管理員界面和員工界面。其中，管理員可以看到醫(yī)療垃圾的回收情況、新進(jìn)醫(yī)療物品數(shù)量，并通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)圖的方式展現(xiàn)，以及重點(diǎn)標(biāo)注可能丟失的垃圾，并顯示負(fù)責(zé)人和批次等信息；員工通過員工賬號(hào)可看出當(dāng)日的垃圾回收和未回收情況、負(fù)責(zé)科室等信息。

（2）信息安全方面

為了保證回收人員信息準(zhǔn)確性，在回收人員登錄賬號(hào)后，會(huì)出現(xiàn)實(shí)名制認(rèn)證彈窗，回收人員可選擇通過支付寶進(jìn)行實(shí)名認(rèn)證或選擇通過二、三要素進(jìn)行認(rèn)證；各個(gè)管理終端均設(shè)有找回密碼、短信驗(yàn)證、郵箱驗(yàn)證等方式。

1.1.3 最終垃圾匯總過程

通過掃碼或者人臉識(shí)別給予醫(yī)療垃圾回收設(shè)備高級(jí)權(quán)限，并通過上位機(jī)雙向通信進(jìn)行辨別和對(duì)智能回收垃圾桶做傾倒口打開處理，最后通過與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)的傳輸。

2 智能醫(yī)療垃圾回收設(shè)備的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)智能醫(yī)療垃圾車分別從外觀和功能兩方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。外觀設(shè)計(jì)遵循傳統(tǒng)醫(yī)療垃圾推車的設(shè)計(jì)，保證使用方便性的情況下更加貼合實(shí)際。功能設(shè)計(jì)方面考慮到了人員身份驗(yàn)證和功能管理實(shí)用性。

2.1 醫(yī)療回收設(shè)備外觀設(shè)計(jì)

設(shè)備外觀設(shè)計(jì)如圖2所示，其中醫(yī)療垃圾回收設(shè)備桶蓋進(jìn)出口做相互隔離的設(shè)計(jì)，以便達(dá)到醫(yī)療垃圾進(jìn)出垃圾桶可控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)中各階段精準(zhǔn)可控。此垃圾回收設(shè)備的外形類似手推車，方便移動(dòng)。在設(shè)備上加一塊顯示屏，用來顯示垃圾回收的內(nèi)容以及個(gè)人需要的一些工作信息等[4]。

圖2 智能醫(yī)療垃圾回收設(shè)備外觀設(shè)計(jì)

2.2 醫(yī)療回收設(shè)備功能設(shè)計(jì)

醫(yī)療垃圾回收人員可通過人臉識(shí)別或刷卡進(jìn)行身份驗(yàn)證。為了減少接觸，采用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）進(jìn)行醫(yī)療垃圾的自動(dòng)識(shí)別，并控制分類回收桶的自動(dòng)開合[5]；醫(yī)療垃圾回收設(shè)備與上位機(jī)通信，獲得醫(yī)療垃圾回收的相關(guān)信息；回收過程中可以通過臭氧對(duì)垃圾回收設(shè)備中的封閉空間進(jìn)行殺菌。

2.3 射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）的應(yīng)用

無線射頻識(shí)別技術(shù)主要通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)通信。

RFID防碰撞技術(shù)為動(dòng)態(tài)時(shí)隙ALOHA算法，由RFID讀寫器把幀長度N發(fā)送到電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽產(chǎn)生[1，N]之間的隨機(jī)數(shù)，然后各電子標(biāo)簽選擇相應(yīng)的時(shí)隙與RFID讀寫器進(jìn)行通信。如果當(dāng)前時(shí)隙與電子標(biāo)簽隨機(jī)產(chǎn)生的數(shù)相同，電子標(biāo)簽則響應(yīng)RFID讀寫器的命令；若不同，標(biāo)簽則繼續(xù)等待[6]。假如當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)僅有一個(gè)電子標(biāo)簽響應(yīng)，RFID讀寫器就讀取該標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)，讀取完以后就使該標(biāo)簽處于“無聲”狀態(tài)。再如當(dāng)前時(shí)隙內(nèi)有多個(gè)電子標(biāo)簽需要響應(yīng)，則該時(shí)隙內(nèi)的數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，此時(shí)RFID讀寫器會(huì)通知該時(shí)隙內(nèi)的標(biāo)簽，讓它們?cè)谙乱惠啂h(huán)中重新產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)參與通信。逐幀循環(huán)，直到識(shí)別出所有電子標(biāo)簽為止。

3 溯源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與智能醫(yī)療垃圾桶的通信和對(duì)數(shù)據(jù)的處理工作等。為提高數(shù)據(jù)的處理速度和數(shù)據(jù)的可靠性，采用阿里云ECS作為服務(wù)端的云平臺(tái)；為了增加公網(wǎng)安全性和加快訪問速度，采用了CDN內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)隱藏真正IP，進(jìn)行數(shù)據(jù)快速訪問。

3.1 信息顯示端設(shè)計(jì)

在網(wǎng)頁上設(shè)計(jì)一套管理系統(tǒng)，面向管理員和進(jìn)行垃圾回收的員工，不同賬號(hào)對(duì)應(yīng)不同界面；頁面的整體思路以菜單嵌套式展示，頁面的左側(cè)有主要功能列表，包括人員管理、設(shè)備信息、任務(wù)發(fā)布、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)上傳等標(biāo)簽。在界面的起始界面中間會(huì)分成三片區(qū)域，顯示數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、快捷入口、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。頁面如圖3所示。

圖3 信息顯示端界面

在頁面的右側(cè)區(qū)域會(huì)有公告或者信息等內(nèi)容。管理員與員工的頁面會(huì)有區(qū)分，管理員的權(quán)限高，有信息的高可查性；每個(gè)科室設(shè)置一位管理員，他們可以查看各個(gè)科室的垃圾統(tǒng)計(jì)和回收情況。對(duì)于員工來說，可以在公告處看到自己要完成的任務(wù)以及自己管理的設(shè)備信息。用兩種不同的顏色將任務(wù)標(biāo)記成已經(jīng)回收和未回收兩種情況。

將各級(jí)菜單的展示嵌套在除左邊功能欄以外的其他區(qū)域，不再進(jìn)行頁面跳轉(zhuǎn)。面向管理員，在系統(tǒng)可靠性方面，采用了基于騰訊云服務(wù)的短信驗(yàn)證、郵箱驗(yàn)證，以便進(jìn)行密碼找回。面向進(jìn)行垃圾回收的員工，在信息真實(shí)性驗(yàn)證方面，采用基于支付寶實(shí)名認(rèn)證接口（企業(yè)認(rèn)證）的實(shí)名認(rèn)證服務(wù)，以及傳統(tǒng)的二或三要素認(rèn)證方法；在數(shù)據(jù)展示方面，采用百度開源的Echarts進(jìn)行設(shè)計(jì)，統(tǒng)計(jì)溯源流程過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并顯示在相應(yīng)頁面。

3.2 安全信息交互設(shè)計(jì)

為保證信息傳輸?shù)耐暾院桶踩裕捎肨CP/IP協(xié)議中POST請(qǐng)求，通過STM32發(fā)送請(qǐng)求，上位機(jī)通過Flask路由進(jìn)行接收。以Nginx為反向代理服務(wù)器，作為高并發(fā)高請(qǐng)求的解決方案，并通過容錯(cuò)算法和通信加密進(jìn)行傳輸；在接口安全方面，采用與STM32網(wǎng)卡的MAC地址相匹配的數(shù)據(jù)報(bào)頭設(shè)計(jì)方式，辨別通信設(shè)備；在上位機(jī)負(fù)載方面，為了防止服務(wù)器被垃圾請(qǐng)求過載，采用IP黑名單方式進(jìn)行過濾?；谝陨显O(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息交互的穩(wěn)定性和安全性。

3.3 AJAX異步刷新

通過在后臺(tái)與服務(wù)器進(jìn)行少量數(shù)據(jù)交換，AJAX 可以使網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)異步更新。這意味著可以在不重新加載整個(gè)網(wǎng)頁的情況下，對(duì)網(wǎng)頁的某部分進(jìn)行更新。傳統(tǒng)的網(wǎng)頁（不使用AJAX）如果需要更新內(nèi)容，必須重載整個(gè)網(wǎng)頁頁面。

3.4 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用MySQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用[7]。采用雙數(shù)據(jù)表協(xié)作的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，為方便實(shí)現(xiàn)多機(jī)位控制的需求，采用設(shè)備數(shù)據(jù)表存儲(chǔ)，以網(wǎng)卡MAC+特定值作為設(shè)備唯一識(shí)別碼，采用信息數(shù)據(jù)表儲(chǔ)存各個(gè)設(shè)備的信息和醫(yī)療垃圾回收信息等，采用設(shè)備數(shù)據(jù)表索引信息數(shù)據(jù)表的方式進(jìn)行多表交互。經(jīng)過該設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)前后臺(tái)交互。管理員表見表1所列。任務(wù)表設(shè)計(jì)見表2所列。

表1 管理員表元素

表2 任務(wù)表元素

4 驗(yàn)證與分析

4.1 中間件與云服務(wù)器通信

通過ESP8266模塊使得嵌入式芯片與云服務(wù)器連接；將阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為中間件，使得硬件與云端數(shù)據(jù)庫連接[8]，通過此平臺(tái)可以很清楚地得到設(shè)備的狀態(tài)信息，檢查設(shè)備是否在線，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，如圖4所示。

圖4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

4.2 網(wǎng)頁控制的可行性

通過將控制平臺(tái)網(wǎng)頁搭載到云服務(wù)器上獲得一個(gè)公共的IP，使得管理人員可以登錄，并且對(duì)垃圾回收的任務(wù)進(jìn)行下發(fā)，以及對(duì)不同權(quán)級(jí)人員的信息進(jìn)行錄入，如圖5～圖7所示。

圖5 后臺(tái)系統(tǒng)登錄頁面

圖6 人員管理頁面

圖7 任務(wù)下發(fā)頁面

4.3 手機(jī)APP控制的可行性

對(duì)于手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，采用WebView將網(wǎng)頁打包成APK，并且可以在安卓的各大軟件商店上架[9-11]。在網(wǎng)頁的代碼編寫方面，寫入屏幕分辨率自適應(yīng)功能，進(jìn)而可以適配不同尺寸的安卓手機(jī)，進(jìn)而方便醫(yī)療垃圾回收工作人員進(jìn)行操作。手機(jī)端的首頁和人員管理界面分別如圖8、圖9所示。

圖8 手機(jī)端的首頁界面

圖9 手機(jī)端的人員管理界面

5 結(jié) 語

本文基于STM32F4設(shè)計(jì)了智能醫(yī)療垃圾回收系統(tǒng)，可以對(duì)醫(yī)療廢物的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；結(jié)合OpenMV可以對(duì)參與垃圾回收的工作人員的身份信息進(jìn)行核實(shí)與記錄，并保證人員的安全。對(duì)回收設(shè)備的設(shè)計(jì)主要在兩方面進(jìn)行了考慮：一方面是其密閉性，以保證在回收醫(yī)療耗材過程中不會(huì)出現(xiàn)泄露的情況，并且通過臭氧預(yù)消毒可以抑制一些病菌；另一方面，將識(shí)別出來的醫(yī)療耗材與云端的管理系統(tǒng)進(jìn)行連接并且展示出來，便于數(shù)量記錄以及對(duì)回收設(shè)備的管理。本系統(tǒng)擁有高可實(shí)施性和易部署性。