基于WSN與RFID的住院患者體溫采集系統的研究

陳妮妮 張環 耿永杰

摘 要：目前，我國大多數醫院對于住院患者的體溫采集仍采用傳統的人工測量與錄入，傳統的體溫采集方式存在測量誤差大，反饋不及時，醫護人員工作量大等弊端。隨著現代醫療技術的發展和物聯網建設的推進，醫療設備的智能化、信息化、自動化成為了迫切需求。因此，為了解決上述弊端，該文提出了基于WSN與RFID技術的住院患者體溫采集系統，并進一步闡述了WSN與RFID技術融合的網絡結構，然后對二者融合后的防碰撞算法進行了重點研究與論述，最終通過MATLAB仿真實驗得出結論。

關鍵詞：RFID 無線傳感器網絡 ALOHA算法 MATLAB

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（c）-0248-02

隨著臨床信息系統（CIS）與電子病歷的發展與應用，大量醫療文書從紙質文檔轉為電子文檔。然而，目前大多數醫院中，護理人員對患者的體溫采集方式仍停留在手工錄入的階段，護士需要對患者的體溫測量后需要通過手工記錄后再錄入計算機，導致信息反饋不及時。另外，護士需要每天往返于病房對患者進行多次測量及錄入，極大的浪費了勞動力。手工抄錄難免會產生錯抄漏抄、字跡不清等現象，從而影響患者體溫記錄的準確性。在這種背景下，智能化的體溫采集系統的開發對于解決上述問題和促進現代醫療科技發展具有重要意義。

1 RFID與WSN網絡的融合

無線射頻識別技術（RFID），是一種非接觸式自動識別技術[1]，但是這種技術不能主動采集有關物體的其它信息，并且不具備組網通信的能力。無線傳感器網絡技術（WSN）是由傳感器節點通過無線通信方式形成的自組織網絡系統，可以實現數據的采集和傳輸[2]，但是不具備識別物體身份的能力。二者在技術上的互補性使得它們的融合展現出很大優勢。

RFID與WSN的融合方式有多種，該系統采用將RFID閱讀器與WSN傳感器節點進行融合的方案。在融合后的網絡里存在3種設備：集成WSN傳感器節點的智能閱讀器，普通的RFID診療卡以及協調器。

2 無線傳感器網絡防碰撞算法

在該系統中，護理人員對患者的體溫采集通常需要在規定的某一段時間內完成，因此，很可能會出現數據包擁塞的現象。為了解決碰撞問題，該系統采用RFID通信中的ALOHA防碰撞算法來解決。ALOHA算法主要有純ALOHA算法，時隙ALOHA算法。該文將運用MATLAB軟件對這2種算法進行仿真實驗，并最終得出結論。

2.1 純ALOHA算法

ALOHA算法是一種無規則的時分多路的多路存取方法[3]。在無線傳感器網絡中，若節點在一段時間內單獨發送數據，則數據包不會產生沖突。若是多個數據包在同一段時間內占用信道，則數據包就會發生碰撞。圖1是純ALOHA算法的示意圖。

在數據通信中，吞吐率S是單位時間內成功完成通信的次數。輸入負載G為平均交換的數據包量，可用如下關系式表示：

（1）

上式中，n代表節點的個數，rn代表節點n在時間T內發送數據包的數量。在通信時間T內，無錯誤傳輸的數據包數量的概率P（k）可以表示為：

（2）

在T=2τ時間內無其他節點響應表示沒有發生數據碰撞，其概率可以表示為如下關系式：

（3）

ALOHA算法的吞吐率S表達式為：

（4）

將式（4）對G求導，可以得出在G取值為0.5時，吞吐率S達到最大，S約為18.4%。

2.2 時隙ALOHA算法

時隙ALOHA算法是將時間域劃分為多個等長的時隙，規定數據只能在時隙開始時才能傳送[4]。時隙ALOHA算法示意圖如圖2所示。

時隙ALOHA算法使得數據包要么成功發送，要么完全碰撞，這樣發生碰撞的時長就由純ALOHA算法中的2τ縮短為τ，可以得出在T=τ的通信時間內無其他標簽響應的概率為：

（5）

時隙ALOHA算法的吞吐率S表達式如下：

（6）

將式（6）對G求導可得：當平均數據包交換量G=1時，吞吐率 S 達到最大值，約為36.8%。

3 仿真實驗與結果

該文利用MATLAB7.0仿真軟件對純ALOHA算法和時隙ALOHA算法進行仿真比較。

分析比較圖3不難看出：純ALOHA算法中，當G=0.5時，吞吐率S達到最大值，而時隙ALOHA算法中，當G=1時，吞吐率S才達到最大值。時隙ALOHA算法發生碰撞的時間只有純 ALOHA 算法的一半，因此，選擇時隙ALOHA算法作為該系統的防碰撞算法。

4 結語

為了實現醫院住院患者體溫采集的自動化、智能化，該系統將基于WSN技術的體溫采集節點與基于RFID技術的診療卡進行融合。對于融合后網絡中數據包碰撞的現象，該文采用了ALOHA算法，并通過MATLAB實驗仿真比較了兩種ALOHA算法，最終得出時隙ALOHA算法更適合本系統。

參考文獻

[1] 劉念.基于動態幀時隙ALOHA防碰撞算法研究[D].上海師范大學，2014.

[2] 梁龍.RFID與無線傳感器網絡融合研究及應用實踐[D].電子科技大學，2009.

[3] 江雨.物聯網中RFID標簽防碰撞算法研究[D].西北師范大學，2012.

[4] 曲濤濤，閻芳.RFID與WSN技術融合理論研究[J].物聯網技術，2013（3）：30-34.

[5] 聶濤，陸陽，張鵬.RFID與WSN在物聯網下協同機制的分析[J].計算機應用研究，2011（6）：2006-2010.