基于有源RFID和LAMP技術的母嬰安全監護系統開發

鄒 岸，胡金炎，林 霖，王 濤，喻德曠

ZOU An， HU Jin-yan， LIN Lin， WANG Tao， YU De-kuang

（南方醫科大學 生物醫學工程學院，廣州 510515）

0 引言

隨著計算機網絡和通信技術的進一步發展，以及醫療體制的不斷完善，醫院信息化程度已經得到了大幅度的提高，在新的技術背景下采用現有醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）結合物聯網應用實現醫療服務和醫院管理的智能化和高效化變得日益迫切。本文針對醫院嬰兒監護工作中的安全隱患，借鑒國內外現有的解決方案，以現有監護體系及網絡應用為基礎提出一種基于有源RFID技術的母嬰安全監護（Maternal-infant Safety and Surveillance,MISS）系統的設計和實現方案[1]。母嬰安全監護系統的設計采用B/S模式，以有源RFID標簽和讀卡器作為系統底層數據的采集終端，并以開源LAMP作為系統軟件開發平臺[2]，實現對醫院婦產科嬰兒、母親等相關人員的信息采集和處理，通過瀏覽器終端為醫護人員提供實時的信息交互及醫務決策平臺。有源RFID母嬰安全監護系統的應用，能實時監測嬰兒的生命體征信息，進行嬰兒位置狀態的查詢追蹤，同時也為母嬰智能配對提供解決方案，可以有效防止嬰兒丟失、被盜及母嬰錯配等情況的發生，對提高醫院母嬰監護工作的效率，促進其智能化發展具有重要意義。

1 技術背景

1.1 RFID硬件基礎

RFID設備是MISS系統設計的硬件基礎，用于實現對目標數據的采集。根據系統數據需求以及應用條件，采用一種有源RFID硬件系統，其功能結構如圖1所示，該RFID硬件系統主要由閱讀器及融合了傳感器技術的有源RFID標簽組成。

圖1 RFID硬件系統

閱讀器是連接底層標簽數據與上位機服務程序的紐帶和橋梁。在本系統中采用一種支持雙向通信的長距離微波型閱讀器，其工作頻率為2.45GHz，內置防碰撞算法機制[3]，能夠同時接收多個標簽的數據信息。該閱讀器配有RJ-45以太網接口及RS232/RS485數據接口，可以實現閱讀器與計算機間的互聯。通過閱讀器內部預置的繼電開關，可以以硬件觸發或軟件觸發的方式實時控制外部聲光報警器。RFID標簽可用于標識、探測所屬目標物體的相關信息。本文應用的有源RFID標簽，支持閱讀器工作頻段的雙向通信，內部集成雙溫度傳感器及震動傳感器單元模塊，能夠實時監測人體體溫、環境溫度及標簽震動信號等相關信息，并將探測信息按照一定的數據編碼規則以射頻信號的形式發送給閱讀器。

1.2 B/S模式與LAMP平臺

B/S模式是一種具有三層軟件結構的開發模式，是對傳統的使用兩層結構的客戶端/服務器（Client/Server，C/S）模式的一種改進。采用B/S模式進行軟件的開發，可以將系統的主要邏輯業務集中在服務器端進行，而將極少部分的事務處理交由客戶端處理，避免了在C/S模式中由于采用特定的客戶端軟件進行大量的邏輯操作帶來的弊端，一方面減輕了客戶端的負荷，另一方面也為系統的可移植性提供了保障；同時，與C/S模式相比，采用B/S模式可以使系統數據不再具有較強的分布特性，數據信息被集中于統一的數據庫當中，為系統數據的實時共享和同步操作提供了條件，有利于減少系統維護的復雜度[4]。

考慮B/S模式的一種實現方法，本文采用基于LAMP（Linux+Apache +MySQL +PHP）平臺的B/S模式進行系統的設計。LAMP是目前最流行的一種開源服務器平臺組合，實際應用中，系統采用Linux（CentOS 6.2）作為服務器操作系統，采用Apache 2.2和MySQL 5.1分別作為服務器軟件和后臺數據庫軟件，并以PHP 5.3作為網絡服務器端的開發腳本。

2 系統總體設計

MISS系統整體拓撲結構如圖2所示。系統主體由基于RFID設備的數據采集網絡，進行數據存儲分析和業務處理的服務器平臺以及面向應用的人機交互終端三大部分組成。

為實現對母嬰信息的實時監測和收集，系統采用上述有源RFID設備構建了底層的數據采集網絡。利用RFID標簽作為嬰兒身份的標識，將其佩戴在嬰兒身上，可以實時地測量嬰兒體溫等狀態信息；同時調整閱讀器的功率參數使其閱讀范圍覆蓋某一特定區域（通常一個病房內安置一個閱讀器），可以使閱讀器接收其信號覆蓋范圍內所有標簽的數據信息。為了實現對標簽數據的實時處理，采用JAVA語言結合JDBC（Java Database Connection）及多線程技術進行網絡編程，開發了用于系統RFID設備的中間件服務程序[5,6]，通過該程序可以使上位機與閱讀器建立直接通信，實現對閱讀器的訪問和控制。系統中間件程序將閱讀器獲得的標簽數據進行實時存儲和分析，按照標簽數據編碼格式與系統業務需求完成數據的解析與處理，并將其寫入后臺數據庫，建立起實時的數據庫應用機制。服務器平臺是實現系統功能的重要物理條件，系統以此為基礎完成用戶業務請求和實時的數據響應，同時采用網絡瀏覽器作為應用終端為用戶提供便捷的訪問接口。

圖2 有源RFID母嬰安全監護系統主體結構

2.1 功能分析

MISS系統的設計旨在保障嬰兒的健康和安全，同時為醫護人員提供有效的醫務決策信息。根據應用需求對系統功能做出如下分析。

1）嬰兒體溫的監測和追蹤：系統在工作過程中需實時訪問標簽所測得的嬰兒體溫參數，并在監控終端對其進行顯示，提供嬰兒體溫的變化趨勢曲線。2）嬰兒位置的識別和尋跡：系統根據讀卡器的位置配置及標簽的信號強度對嬰兒所在區域進行模糊定位，并以電子地圖形式為監護人員提供實時的嬰兒位置信息。3）嬰兒及標簽異常狀態的反饋，查詢和處理：系統依據標簽確定的嬰兒體溫值和位置狀態，結合預先設置的異常閾值（嬰兒的體溫異常值和標簽禁區區域）對嬰兒狀態做出綜合判斷，將異常信息在客戶端進行報警提示，同時提供標簽異常記錄的查詢，以便歷史事件的回溯。4）母嬰信息的管理：母嬰信息包括母親和嬰兒身份信息的注冊、備份，以及標簽信息的綁定。在設計過程中系統需提供與醫院原有HIS系統的數據接口，以方便病歷信息的統一管理。5）RFID設備配置信息的設定和校準：RFID設備的配置主要是對讀卡器和標簽的相關參數進行設置，包括讀卡器的IP地址，所屬位置以及標簽的使用授權。6）系統數據維護及用戶的管理：系統需提供數據庫維護工具，實現母嬰及標簽信息的備份處理，減少系統數據的冗余。同時，建立用戶權限的管理機制，確保系統資源訪問的安全性。

2.2 軟件設計

MISS系統的軟件設計需要考慮對標簽數據信息的復雜處理、對用戶業務請求的實時響應以及提供良好的用戶終端體驗的要素。基于LAMP平臺開發的MISS系統具有B/S模式固有的三層軟件結構，其總體模型如圖3所示，系統由用戶層，業務邏輯層和數據層三個相對獨立的軟件層構成。

圖3 MISS系統軟件模型

用戶層是MISS系統三層軟件結構中的第一層，主要由客戶端網絡瀏覽器構成。在本文系統設計的過程中，運用HTML、Javascript等瀏覽器腳本技術開發了嬰兒體溫、位置等狀態信息的實時監控界面，為用戶提供業務信息請求的窗口。業務邏輯層是MISS系統的功能層，它以web服務器為基礎，主要由業務接口，業務模型以及業務數據響應三個子模塊組成。業務接口模塊是連接用戶層與功能層的通路，主要負責接收系統用戶的業務請求，傳遞業務指令并對其進行解析，再根據請求類型調用相關的業務處理模型，完成系統的任務調度。業務模型定義了系統所有的功能，包含嬰兒體溫監控、嬰兒實時定位、母嬰信息配對、便簽異常報警、母嬰信息管理以及系統數據維護等多個單元。業務模型的處理有賴于對標簽數據信息和母嬰信息的管理，在系統內部建立起異常處理機制結合標簽數據分析可以對嬰兒體溫的異常，標簽的脫落及信號消失等異常事件進行報警；業務數據響應模塊主要進行系統業務數據處理結果的分析和緩存，并根據用戶需求將對應的數據結果返回系統終端。數據層是系統的數據庫所在，用以存儲RFID數據，同時為系統業務邏輯層提供數據接口，可以接收業務處理所需要的數據操作請求，完成數據的訪問查詢。

2.3 數據庫設計

在MISS系統中，數據庫為底層RFID數據采集網絡提供了數據存儲空間，同時也為實現醫院HIS系統的融合提供了數據接口。RFID標簽的數據信息是系統最為關鍵的業務數據，為了實現海量復雜的標簽數據的有效存儲與分析，本文采用MySQL數據庫技術結合系統功能需求設計了MISS系統的數據庫。在該數據庫中，依照系統的業務處理模型及數據來源定義了十個實體作為數據表結構，分別為標簽信息表（tagdata）、閱讀器信息表（reader）、標簽脫落異常記錄表（tag_drop）、標簽電量異常記錄表（tag_battery）、標簽消失記錄表（tag_disappear）、嬰兒信息表（infant）、母親信息表（mother）、實時母嬰配對記錄表（tag_pairs）以及系統用戶信息表（user）。以標簽數據信息為基礎，系統各個數據表之間根據唯一的標簽序列號（TagID）實現彼此關聯。

2.4 實時數據響應

在MISS系統的工作過程中涉及多種業務模型和繁重的實時RFID數據處理，為了減少業務處理過程中用戶端和系統服務器間的直接數據請求，避免頁面靜態數據信息的多次處理，在系統設計的過程中，綜合運用AJAX（異步JavaScript和XML，Asynchronous JavaScript and XML）異步數據刷新機制以及PHP技術，實現用戶端實時的數據監測。

圖4 MISS系統訪問流程

3 系統實現

MISS系統的使用依據其內部建立的權限機制，將用戶劃分為普通用戶和管理員兩種類型，其系統頁面分布及訪問流程如圖4所示。

系統內部根據需求開放注冊權限，所有合法用戶經過系統的登陸驗證可以訪問使用系統資源。其中，普通用戶是系統的基本使用者，在MISS系統中普通用戶的權限角色主要針對醫務監護人員而設定，它具有查看嬰兒標簽列表、系統電子地圖、母嬰配對信息以及硬件配置信息的權限。母嬰標簽列表和系統電子地圖是MISS系統的主要監控界面，可以為用戶提供系統預設禁區和普通病區內所有的嬰兒標簽信息，可以實時地反映嬰兒的體溫信息、位置信息以及異常報警信息；母嬰配對信息和硬件配置信息主要為用戶進行母嬰注冊信息的查詢、自動配對、異常記錄查詢以及系統的硬件配置信息查詢提供了平臺。管理員用戶是系統的維護使用者，系統的管理員除了具有普通用戶擁有的所有使用權限外，還具有母嬰信息管理、硬件信息管理以及系統設置的權限。母嬰信息管理包括對系統內注冊的母嬰信息的更新和維護，可以方便醫務人員完成病人的出入院管理；硬件信息管理為系統的硬件配置提供了校準入口，它的設定可以確保系統的正確運行；系統設置則為系統的參數設置、用戶管理及標簽數據維護提供了窗口工具，系統管理員可以根據實際需求對系統內所使用的所有閾值信息進行配置，同時定期地對系統數據進行管理，以確保系統的工作性能。

3.1 主要功能實現

異常監控是系統最主要的功能，實現MISS系統中的異常處理主要包括對標簽溫度信息，標簽脫落狀態，標簽位置信息以及標簽電量信息的判斷。以對異常事件分析為基礎系統可以對所有異常事件進行報警處理，包括軟件報警以及外部聲光報警。

在異常處理程序中，系統首先獲取標簽數據信息，以此為基礎進行標簽異常事件的判斷處理。首先，根據獲得的標簽數據對比數據庫當前已注冊標簽信息判斷標簽數據是否消失；然后，對于嬰兒體溫異常的分析，MISS系統中默認設定嬰兒的正常體溫閾值范圍為36.9度至37.5度之間，結合標簽提供的溫度數值信息對嬰兒體溫狀態進行判斷，一旦檢測到溫度數值處于正常閾值范圍之外系統將做出溫度異常處理；其次，對于嬰兒異常位置的識別，系統主要根據基于閱讀器位置分布與標簽信號強度值的模糊定位方法結合系統預設的禁區閾值，對所有屬于禁區區域閱讀器下得嬰兒標簽進行位置異常報警處理；最后，對于標簽脫落狀態以及電量異常的判別，主要結合標簽數據信息所提供的震動傳感標志位（SENSOR）和電量標志位（BAT）進行分析。處于溫度異常的標簽如果其震動傳感標志位為有效狀態則可判斷其為脫落狀態，而當標簽電量標志位數值小于標簽正常工作所需電量數值時則對其進行低電量報警處理。

在MISS系統中提供以電子地圖為基礎的嬰兒實時信息的監控窗口，其主要界面如圖5所示。頁面頂部為系統的主功能區，點擊相應的功能圖標可以進入其使用界面。基于地圖的母嬰實時監護界面以病房為實際的監控單元，利用RFID標簽信息可以實時對嬰兒位置進行判別，實時統計在每個監控單元內部的母親與嬰兒的人數，以鼠標放置在嬰兒或母親的圖標之上可以顯示當前區域所有人員的配對信息，對于嬰兒還將提供實時的體溫信息。系統的異常信息以“流水燈”形式進行顯示，同時對于某一區域所在嬰兒的異常信息還將在該區域顯示警報標識。

圖5 系統監控界面

3.2 性能測試評估

為了評估系統實時響應能力，本文采用httperf和autobench對系統進行了性能仿真測試[7]。其中系統測試的服務器主機硬件環境配置為雙核Intel Pentium D 3.2GHz CPU、3.8G內存，服務器操作系統采用CentOS 6.3 32bit，并以Apache 2.2.15、MySQL 5.1.61以及PHP 5.3.16構建web軟件環境，測試網絡環境為100Mbps全雙工局域網。系統測試數據來源于虛擬RFID標簽數據，在測試過程中實驗程序以真實標簽數據為模板搭建RFID數據流的仿真平臺，模擬生成20個閱讀器、50個標簽，并設定標簽隨機發送數據的時間間隔為0.6s。利用autobench進行系統并發請求測試，以上述系統實時監控頁面為測試路徑，設定總聯接用戶數為200，最低并發請求率為10個/s，最高并發請求率為10000個/s，測試期間每次測試請求數以每秒100個作為增長步長，其響應測試結果如圖6所示。

圖6 系統并發處理測試

從圖中可以看出，系統響應時間隨并發請求率的增加而增加，在并發請求率低于3700時系統響應時間基本低于3ms，且具有一定的穩定性，而在并發請求率高于3700時，系統響應時間局部產生劇增，但其總體值分布基本處于20ms以內。在整個測試過程中系統響應請求的錯誤率基本接近于零，系統具有較好的并發處理能力和負荷能力。

4 結束語

本文以當前醫療信息化發展程度為背景，結合有源RFID和LAMP技術，設計實現了母嬰安全監護系統，為醫院新生兒監護工作的智能化提供了一套切實可行的系統方案。該系統以有源RFID設備為硬件基礎，實現對嬰兒狀態信息的實時采集，同時以LAMP為軟件架構設計平臺，實現系統的整體設計。系統運行在醫院局域網絡之上，具有多種便捷的訪問入口以及圖形化的信息監控窗口，可以方便醫務監護人員實時有效地監控嬰兒體溫、位置等狀態信息，同時為完成母嬰監護管理提供參考決策。基于有源RFID和LAMP技術的母嬰安全監護系統的開發是物聯網技術在醫療領域的一個應用案例，它的實現有利于促進醫院信息化以及醫療服務水平的進一步發展和提高，具有較高的實際應用價值。

[1]Lin L,Yu N，Wang T，et al.Active RFID Based Infant Security System[J].Communication Systems and Information Technology,2011：203-209.

[2]Ramana U V,Prabhakar T V.Some experiments with the performance of LAMP architecture[C].Computer and Information Technology,2005.CIT 2005.The Fifth International Conference on.IEEE,2005：916-920.

[3]王玨,劉陳.RFID防碰撞算法研究[J].微型機與應用，2011,30（10）：57-59,62.

[4]王丁.基于B/S的電力工程管理信息系統的應用[J].電氣自動化,2012，34（1）：87-89,93.

[5]劉繼華,李臘元.一種基于JDBC的數據庫連接池的設計與實現[J].計算機工程與應用,2003,39（7）：183-185,215.

[6]劉發貴，蔣瑞林,胡耀民.RFID中間件及其倉儲管理的應用[J].計算機工程,2006,32（13）：272-273,276.

[7]Mosberger D,Jin T.httperf—a tool for measuring web server performance[J].ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review,1998,26（3）：31-37.