物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控中的應(yīng)用

段振衛(wèi)

（邯鄲市第一醫(yī)院，河北 邯鄲 056000）

隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛[1]。在醫(yī)院環(huán)境中，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以進(jìn)行智能監(jiān)控，提高醫(yī)院環(huán)境的安全性和效率。本文通過對(duì)系統(tǒng)總框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，將基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層。通過設(shè)計(jì)其硬件構(gòu)成及軟件內(nèi)容，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)[2]。在軟件設(shè)計(jì)期間，通過應(yīng)用MQTT 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)通信，并將數(shù)據(jù)成功發(fā)布到預(yù)定的主題中。采用最小二乘估計(jì)算法得出了最佳擬合線，并有效優(yōu)化了醫(yī)院溫/濕度設(shè)備的控制參數(shù)。通過進(jìn)行系統(tǒng)測試，證實(shí)了MQTT 協(xié)議可以滿足系統(tǒng)通信需求，在設(shè)定閾值的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)能夠結(jié)合閾值要求及時(shí)對(duì)醫(yī)院異常溫度情況進(jìn)行報(bào)警，保障醫(yī)院環(huán)境的安全和穩(wěn)定。上述設(shè)計(jì)旨在提高醫(yī)院環(huán)境的安全性和效率，為醫(yī)院的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供一定支持。

1 系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層構(gòu)成。應(yīng)用層是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的最上層，直接面向用戶，提供各種應(yīng)用服務(wù)[3]。在應(yīng)用層中可進(jìn)行醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控。網(wǎng)絡(luò)層通過連接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接口，進(jìn)行感知層和應(yīng)用層間的數(shù)據(jù)傳輸和通信。平臺(tái)層為系統(tǒng)提供了各種服務(wù)工具，輔助進(jìn)行用戶管理和監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)圖

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)以WSN 為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[4]。其中，感知層可采集醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境中溫/濕度，通過在醫(yī)院各科室及病房中安裝溫/濕度傳感器和紅外線傳感器，全面及時(shí)地獲取醫(yī)院內(nèi)部溫/濕度及人流量狀態(tài)參數(shù)信息。網(wǎng)絡(luò)層通過通信基站來傳輸從感知層獲得的醫(yī)院環(huán)境數(shù)據(jù)。由于感知層內(nèi)收集的數(shù)據(jù)量較大，因此經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行壓縮編碼及加密處理，再通過網(wǎng)絡(luò)層存儲(chǔ)至平臺(tái)層服務(wù)器中。平臺(tái)層由Web 服務(wù)器Apache、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器MongoDB 以及Niginx 代理服務(wù)器等部分組成，集合處理所需數(shù)據(jù)后傳送至應(yīng)用層[5]。應(yīng)用層用于管理整個(gè)醫(yī)院的環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。在醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，通過在醫(yī)院的各節(jié)點(diǎn)位置部署溫/濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，可監(jiān)測醫(yī)院科室及病房內(nèi)的空氣溫/濕度環(huán)境問題。通過控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)，能夠有效控制整個(gè)醫(yī)院的內(nèi)部設(shè)備，并在醫(yī)院科室及病房中連接紅外線傳感器，通過分析紅外視頻圖像，監(jiān)控醫(yī)院各科室及病房內(nèi)的人員流量，有效采集醫(yī)院內(nèi)部溫度實(shí)時(shí)變動(dòng)信息，并通過互聯(lián)網(wǎng)傳遞至服務(wù)器。醫(yī)院系統(tǒng)管理員可以直接登錄網(wǎng)站訪問系統(tǒng)，從而獲取醫(yī)院內(nèi)部溫/濕度環(huán)境實(shí)時(shí)信息，并通過網(wǎng)站發(fā)布相關(guān)指令，控制醫(yī)院控溫設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件部分由傳感器、控制器、通信模塊及電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

由圖2 可知，該系統(tǒng)傳感器分別采用了AS1136 紅外傳感器和DHT11 溫濕度傳感器。AS1136 可以檢測人流量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可以與各種計(jì)數(shù)器設(shè)備配合使用，記錄通過傳感器的總?cè)藬?shù)。DHT11 是一款數(shù)字溫/濕度傳感器，具有精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠與各種控制器配合使用，進(jìn)行溫/濕度監(jiān)測和控制。系統(tǒng)控制器采用BeagleBone Black。該控制器是一款基于Linux 系統(tǒng)的控制器，具有豐富的接口和擴(kuò)展性，可以通過編程控制各種傳感器和執(zhí)行器，適用于醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控項(xiàng)目開發(fā)。Arduino Wi-Fi Cooja 模塊是一款基于Wi-Fi 協(xié)議的通信模塊，可以通過編程控制Wi-Fi 連接和數(shù)據(jù)傳輸。電源模塊可以將12V 交流電轉(zhuǎn)換為5V 直流電，為節(jié)點(diǎn)運(yùn)行提供穩(wěn)定的供電服務(wù)，確保系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)通信

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議作為一種輕量級(jí)的消息發(fā)布/訂閱協(xié)議，可用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和遠(yuǎn)程監(jiān)控場景[6]。MQTT 協(xié)議可使傳感器通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，并將數(shù)據(jù)發(fā)布到預(yù)定的主題上?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)通信流程如圖3所示。

圖3 MQTT 智能監(jiān)控系統(tǒng)通信流程圖

待系統(tǒng)接入電源后，執(zhí)行系統(tǒng)初始化任務(wù)。該任務(wù)包括系統(tǒng)時(shí)鐘和I/O 口的初始化。結(jié)束初始化任務(wù)后，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自檢，測試所使用的Arduino Wi-Fi Cooja 模塊是否能夠正常接入傳感器并進(jìn)行通信采集數(shù)據(jù)。如果自檢未通過，系統(tǒng)會(huì)判斷是否超時(shí)，發(fā)生超時(shí)則直接結(jié)束系統(tǒng)任務(wù)，否則跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)初始化任務(wù)并進(jìn)行二次自檢。當(dāng)系統(tǒng)提示自檢通過時(shí)，則連接Nginx 代理服務(wù)器，然后采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)打包成字符串形式進(jìn)行發(fā)布。

3.2 信息采集及存儲(chǔ)

醫(yī)院的環(huán)境對(duì)患者的健康至關(guān)重要[7]。采集醫(yī)院環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控空氣質(zhì)量、溫/濕度等醫(yī)院環(huán)境因素，有助于工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)空氣污染、濕度過高或過低等異常情況，從而有效保證患者的健康[8]。

當(dāng)系統(tǒng)接入電源后，通過內(nèi)置的識(shí)別模塊識(shí)別外部傳感器，判斷各傳感器是否已建立有效連接。該過程旨在對(duì)傳感器進(jìn)行通信測試，可確保傳感器能夠正確地與系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如果傳感器未建立有效連接，系統(tǒng)將無法正常采集數(shù)據(jù)，需要重新建立連接后二次采集數(shù)據(jù)。如果系統(tǒng)能識(shí)別出外部傳感器并建立了有效連接，則通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理。該過程包括對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、過濾和轉(zhuǎn)換等操作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。系統(tǒng)獲取到所需數(shù)據(jù)后，調(diào)用RFID 讀寫器將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行處理或存儲(chǔ)[9]。在調(diào)用數(shù)據(jù)期間，系統(tǒng)會(huì)不斷地讀取RFID 標(biāo)簽的信息并與內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。如果識(shí)別數(shù)據(jù)失敗，即識(shí)別過程超時(shí)，系統(tǒng)將錯(cuò)誤信息記錄到日志文件中，以便后續(xù)分析和排查問題。如果數(shù)據(jù)在識(shí)別過程中沒有發(fā)生問題，系統(tǒng)會(huì)直接將數(shù)據(jù)存入本地文件系統(tǒng)或本地?cái)?shù)據(jù)庫中，以實(shí)現(xiàn)醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控的特定應(yīng)用功能。

3.3 數(shù)據(jù)融合

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)融合方法可將多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和處理，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可用性。通過應(yīng)用最小二乘估計(jì)，能夠得出一組最佳擬合線或最佳擬合曲面。然后計(jì)算每個(gè)傳感器對(duì)的協(xié)方差矩陣。協(xié)方差矩陣是一個(gè)方陣，表示2 個(gè)傳感器測量結(jié)果之間的協(xié)方差。協(xié)方差矩陣如公式（1）所示。

式中：sigma（x）和sigma（y）分別是傳感器x和傳感器y的標(biāo)準(zhǔn)差；R是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣，用于將傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)坐標(biāo)系。

對(duì)協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，可得到特征值和特征向量。特征向量表示數(shù)據(jù)空間中的方向，特征值表示這些方向上的方差。根據(jù)特征值和特征向量計(jì)算最小二乘估計(jì)。最小二乘估計(jì)是一個(gè)向量，表示在數(shù)據(jù)空間中的最佳擬合線或最佳擬合曲面。LS最小二乘估計(jì)如公式（2）所示。

式中：ei是第i個(gè)傳感器的測量結(jié)果的向量；lambdai是對(duì)應(yīng)第i個(gè)傳感器的特征值。

特征值表示數(shù)據(jù)空間中的方向上的方差，測量結(jié)果向量表示在該方向上的測量結(jié)果。通過最小化LS向量中所有分量的平方誤差的平方和，可以得到最佳擬合線，優(yōu)化醫(yī)院溫/濕度設(shè)備的控制參數(shù)，為醫(yī)生和患者提供更舒適的環(huán)境。

3.4 監(jiān)控預(yù)警

在環(huán)境監(jiān)控期間，需要對(duì)醫(yī)院內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行溫/濕度預(yù)測，根據(jù)實(shí)際情況，選擇時(shí)間序列模型，以提高預(yù)測準(zhǔn)確性和可靠性。獲取到當(dāng)前測量結(jié)果向量和特征向量后，應(yīng)使用最小二乘法計(jì)算最佳擬合線。首先，確定最佳擬合線的二次函數(shù)形式，并根據(jù)特征值表示數(shù)據(jù)空間中的方向上的方差，計(jì)算出特征向量。其次，根據(jù)測量結(jié)果向量表示該方向上的測量結(jié)果，計(jì)算出測量結(jié)果向量。再次，根據(jù)最小二乘法的原理計(jì)算出最小二乘解。最小二乘解中包括最佳擬合線的斜率、截距以及擬合誤差的方差。根據(jù)當(dāng)前時(shí)間計(jì)算出未來的測量結(jié)果向量。模型預(yù)測值則通過時(shí)間序列回歸模型的預(yù)測函數(shù)獲得。將未來的測量結(jié)果向量代入最佳擬合線中，即可得出預(yù)測溫/濕度值。最后，根據(jù)預(yù)測溫/濕度值，可判斷出醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)是否需要進(jìn)行預(yù)警。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試準(zhǔn)備

根據(jù)系統(tǒng)的需求和開發(fā)環(huán)境，測試采用了320 臺(tái)AS1136紅外傳感器和320 臺(tái)DHT11 溫濕度傳感器，測試期間采用BeagleBone Black 系統(tǒng)控制器控制傳感器設(shè)備，并采用MQTT協(xié)議完成設(shè)備與系統(tǒng)之間的通信任務(wù)。根據(jù)測試計(jì)劃和測試用例，執(zhí)行測試并記錄測試結(jié)果。系統(tǒng)抽取的10 組測試用例數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽取測試用例數(shù)據(jù)

表2 中抽取的10 組樣本數(shù)據(jù)可用于測試系統(tǒng)在不同溫度、濕度和通道人流量條件下發(fā)生預(yù)警的及時(shí)性。通過應(yīng)用上述數(shù)據(jù)，可以驗(yàn)證系統(tǒng)是否能夠準(zhǔn)確監(jiān)測醫(yī)院環(huán)境中的參數(shù)，并及時(shí)觸發(fā)報(bào)警。同時(shí)，上述數(shù)據(jù)也能夠評(píng)估系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供重要保障。

表2 智能監(jiān)控報(bào)警情況

4.2 測試結(jié)果

4.2.1 通信測試

使用MQTT 作為消息傳輸協(xié)議期間，系統(tǒng)通過紅外傳感器和溫/濕度傳感器成功監(jiān)測到醫(yī)院環(huán)境中的溫度、濕度和人流量等參數(shù)。測試期間總共獲取了78465 組測試數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)涵蓋了不同條件下的醫(yī)院環(huán)境。測試證實(shí)了使用MQTT 協(xié)議能夠有效傳輸傳感器數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)展示醫(yī)院環(huán)境數(shù)據(jù)。同時(shí)，在測試期間還發(fā)現(xiàn)，對(duì)智能監(jiān)控醫(yī)院環(huán)境系統(tǒng)而言，MQTT 協(xié)議具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸和展示。測試證明，通過應(yīng)用MQTT協(xié)議，可以確保系統(tǒng)滿足通信需求，并實(shí)時(shí)監(jiān)測醫(yī)院環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)，能夠提高醫(yī)院環(huán)境的質(zhì)量和安全性，為醫(yī)生和病人提供更舒適和安全的環(huán)境。

4.2.2 報(bào)警測試

通過監(jiān)測不同條件下醫(yī)院環(huán)境中的溫度、濕度和通道流量等參數(shù)，并比較測試結(jié)果與設(shè)定閾值范圍，來測試智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測到異常狀況后的報(bào)警情況，結(jié)果見表2。

表2 數(shù)據(jù)證實(shí)了系統(tǒng)報(bào)警功能的可行性。在測試期間，當(dāng)溫/濕度及通道人流量超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)，系統(tǒng)成功地觸發(fā)了報(bào)警，表明系統(tǒng)能夠監(jiān)測到醫(yī)院環(huán)境中的異常情況，并在第一時(shí)間向監(jiān)控人員發(fā)出警報(bào)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)閾值及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并觸發(fā)報(bào)警，可保障醫(yī)院環(huán)境的安全和穩(wěn)定。

5 結(jié)語

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)控可提升醫(yī)院在智能環(huán)境監(jiān)測過程中的安全性和穩(wěn)定性。因此在數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和智能化管理，減少人工干預(yù)和操作時(shí)間、成本，提高醫(yī)院環(huán)境的運(yùn)行效率和管理水平。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，醫(yī)院環(huán)境智能監(jiān)控領(lǐng)域還將出現(xiàn)更多的技術(shù)應(yīng)用及創(chuàng)新方法，促進(jìn)醫(yī)療信息的共享和互聯(lián)互通，以期為醫(yī)院的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供更多參考。