基于WSNs的就診服務系統設計與優化

姜　玲， 陳向東

(西南交通大學 信息科學技術學院，四川 成都 611756)

基于WSNs的就診服務系統設計與優化

姜玲， 陳向東

(西南交通大學 信息科學技術學院，四川 成都 611756)

摘要:針對醫院存在盜賣掛號單、病人盲目就醫和排隊長等問題，設計就診服務系統，并對排隊現象進行優化。因為指紋具有唯一性、穩定性等特征，可以利用指紋識別技術驗證病人身份避免盜賣掛號單的現象。采用JFreeChart圖表開發技術繪制醫生醫技、態度和病人治療效果的綜合得分，病人可以有針對性的選擇適合自己的醫生。基于Matlab Builder JA實現排隊論模型的建立，在上位機界面科學、量化地對排隊現象進行描述并優化。通過配置最優的醫生人數，使醫院服務的成本和病人等待損失的費用之和最小。由于ZigBee技術具有低成本、低功耗等特點，作為本設計的無線通信技術并結合Internet技術，實現病人就診服務系統。實驗表明：該系統能有效地解決病人在就診中存在的問題。

關鍵詞：就診服務； 指紋識別； JFreeChart； Matlab Builder JA

0引言

近幾年，病人到醫院就診存在很多問題。掛號難、看病難、排隊長已經成為病人就醫十分嚴峻的問題。首先盜賣掛號單的現象十分嚴重，病人一號難求。而且病人在就醫時，存在很大的盲目性，掛錯號、選錯科室的情況時有存在，病人不得不重新退號、排隊，造成不必要的浪費[1]。病人“常排隊、排隊長”的現象得不到改善，大部分時間用在排隊上，就診時間卻很短，而且在選擇醫生上存在很大的盲目性。基于以上問題，本文設計病人就診服務系統。將指紋識別技術應用到本系統中，利用指紋特征的唯一性對個人身份進行驗證具有極高的安全性和易用性，實現了對病人身份的準確識別，避免了盜賣掛號單的現象；設計病人評價模塊，病人通過對上位機界面對自己就診的醫生進行客觀的評價，同時可以查看醫生的綜合得分，避免病人盲目就醫，做到科學就醫；針對排隊長的現象，利用排隊論理論建立排隊論模型并對醫生人數的配置進行優化。

由于ZigBee技術具有低功耗、低成本、易擴展、自組織等特點，作為本設計無線通信的技術并結合Internet技術，通過上位機界面實現病人查看醫生綜合得分，醫院管理員建立排隊論模型并對排隊現象進行優化等功能。

1系統組成與工作流程

病人就醫服務系統主要由底層ZigBee無線傳感器網絡、

GSM短消息提醒模塊和上位機管理系統組成。底層無線傳感網絡主要由指紋識別掛號節點、指紋識別就診節點、路由節點和協調器組成。GSM短消息提醒模塊主要是用來通知馬上就診的病人。上位機管理系統是基于MVC模式的B/S架構通過JavaWeb技術和SQLServer2005數據庫設計實現的。系統總體結構示意圖如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖Fig 1　Diagram of system structure

當ZigBee網絡組建成功，病人在掛號窗口掛號時，通過指紋識別掛號節點采集指紋，對指紋進行預處理及特征值提取，將其特征值保存到指紋特征數據庫中，并將其個人相關信息保存到相關數據庫中，同時獲得一個就診號，病人拿著就診號到指定的門診室排隊就診。病人到門診室就診時，需要通過指紋識別就診節點驗證其身份，采集的指紋與掛號節點錄入指紋的數據庫中的指紋特征值進行匹配，若匹配成功，方可就診。如果匹配不成功，就診節點則會產生聲光報警。如果馬上輪到某個病人就診，系統通過GSM網絡提前發送提醒短息給該病人，通知馬上到指定的門診室就診，以免錯過治療。病人可以登錄上位機界面對就診的醫生進行評價打分，查看醫生的綜合得分，選擇適合自己的醫生，管理員在上位機界面建立排隊論模型并配置合適數目的醫生為病人看病。

2門診掛號與就診模塊設計

門診就診模塊主要由ZigBee無線傳感網絡和GSM發送短信模塊組成。指紋識別掛號節點主要是采集病人的指紋，并將指紋的特征值保存到數據庫中；就診節點主要用來驗證病人身份；路由節點負責信息的路由；協調器主要是負責網絡的組建、維護、控制終端節點的加入和匯聚各終端節點發送過來的數據，與上位機進行串口通信[2]。下面著重介紹指紋識別就診節點和GSM發送短信的設計。

2.1指紋識別節點設計

系統中ZigBee節點的核心模塊均采用的是TI公司CC2530芯片，它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點。

就診節點采用光學指紋采集模塊FPM10A作為指紋的采集、存儲和匹配，它由一個光學指紋傳感器和一片TI公司生產的DSP微處理器組成。其硬件設計主要包括CC2530節點模塊、光學指紋采集模塊FPM10A、按鍵電路、液晶顯示電路、聲光報警電路、電源電路等外圍電路。

就診節點成功加入ZigBee網絡后，醫生按下指紋采集按鍵，發送采集病人指紋的指令，當采集到的病人指紋的特征值與數據庫中指紋模板特征值匹配成功，方可就診。匹配信息封裝成數據包通過路由節點和協調器上傳到數據庫服務器中，對應的數據庫表中顯示該病人狀態為已就診。若匹配不成功，驅動聲光報警，醫生拒絕給該病人治療。軟件設計的流程圖如圖2所示。

圖2　指紋識別就診節點軟件設計Fig 2　Software design of fingerprint identification node

2.2GSM發送提醒短息設計

GSM發送短信模塊采用的是德國Siemens公司的無線通信GSM模塊TC35。GSM模塊發送短信一般常用的有基于AT指令的Text模式和PDU(protocoldataunit)模式。雖然Text模式開發簡單、實現方便，但不支持中文短信的發送。而PDU模式盡管開發起來比較復雜，但同時支持中文和英文短信的發送[3]。因為該系統是向病人發送提醒消息，故選擇PDU模式，當病人到門診就診之后，對應的數據庫表中的狀態為已就診，而沒有就診的病人狀態則為未就診，發送短信軟件設計的流程圖如圖3所示。

圖3　GSM發送短信流程圖Fig 3　Flow chart of GSM message sending

3病人評價模塊設計

病人通過上位機界面對就診的醫生進行評價。上位機系統是基于MVC模式的B/S架構的上位機管理系統。病人就診之后，對醫生的態度、醫技和治療效果進行客觀的打分，分數會上傳到數據庫服務器中，采用JFreeChart繪制醫生的綜合得分柱狀圖。JFreeChart是采用Java語言編寫的圖表開發工具包，使用Java類庫對數據進行統計分析，基于Web繪制各種圖表[4]。病人對醫生的評價的分數保存到數據庫中，JFreeChart獲取數據表中的集合對象在JSP頁面中生成醫生態度、醫技和治療病人的效果得分柱狀圖的圖表。醫生綜合得分如圖4所示。

圖4　醫生綜合得分柱狀圖Fig 4　Bar charts of doctors’scores

4排隊論模型的建立與優化

病人到門診就診，“常排隊，排隊長”的現象得不到改善。如果醫院只是盲目性的增加醫生，則會造成不必要的資源浪費。如何合理、科學的安排醫生，使病人排隊的時間盡可能的縮短，同時降低醫院的服務費用，是建立排隊論模型的關鍵。

從費用上對排隊論模型進行優化，一般來說有兩種費用：一種是病人在等待治療時的等待損失費用，另一種是診室醫生為病人治療的服務成本費用。設總費用為病人等待損失費用與診室的服務成本費用之和[5]，當總費用的最小值存在時，即是圖5中的總費用達到最低點，對應的醫生人數即為最優的數目。

圖5　醫生人數與費用的關系[5]Fig 5　Relationship between number of on-dutydoctors and costs[5]

4.1排隊論模型的建立

排隊論，是研究服務對象在排隊系統中等待服務的一門數學運籌學的分支學科，也是研究服務系統中排隊現象隨機規律的學科，主要由三部分組成：輸入過程、排隊規則和服務機構[6]。

病人到達醫院的過程是隨機的，互不干擾的，穩定的，相繼到達的時間間隔也是隨機的。一般病人到達的過程服從泊松流，病人到達的時間間隔服從負指數分布。排隊規則主要有損失制、等待制和混合制[7]。在本設計中選擇等待制中的先來先服務規則。服務結構指門診醫生，服務臺數目為多臺，排隊論模型主要由輸入過程(X為病人到達時間間隔分布)、服務時間(Y)、服務臺并聯個數(Z)來描述，用X/Y/Z表示，因此建立排隊論M/M/C模型。根據李特爾公式，排隊論相關指標計算公式如下：

系統的服務強度

ρ=λ/sμ

(1)

服務臺空閑概率

(2)

排隊等待人數

(3)

系統中平均逗留人數

Ls=Lq+sρ

(4)

病人在系統中平均排隊等待的時間

(5)

病人平均逗留時間

(6)

式中ρ為每個服務臺單位時間內的平均服務時間，λ為病人平均到達率，μ為平均服務率。

4.2排隊論仿真與優化

基于MatlabBuilderJA和JavaWeb技術實現M/M/C模型的建立。MatlabBuilderJA將M函數文件創建成一個Java組件，它支持Matlab的所有功能[8]。首先在Matlab中編寫排隊論程序，采用MatlabBuilderJA編譯器將進行數據處理的m文件編譯成相應的jar包，在MyEclipse中編寫調用它的Servlet程序，并將其部署到Tomcat服務器中，在B/S架構下通過上位機界面中輸入Matlab程序參數并提交給服務器，服務器結合WebFigure圖形方式的使用，調用MCR完成所需的計算，將實驗結果直觀地返回，實現了交互式操作[8]。

對于M/M/C排隊論模型，設總費用為z=as+bLs,其中,a為單位時間內平均每個醫生的服務成本，s為醫生的個數，b為單位時間內平均每個病人排隊等待的損失成本，Ls為平均的排隊長。假設參數如下：病人平均到達率為0.5人/min，平均服務率為0.125人/min，病人單位時間等待的成本為30元/h，醫生單位時間服務的成本為80元/h。當設置2個醫生，仿真得到的結果如圖6所示。

圖6　設置2個醫生的仿真結果Fig 6　Simulation results of setting two doctors

從圖6可知:有些病人的離開時刻減去到達時刻遠遠超過了30min，而且病人隨著人數的增加，等待時間和逗留時間逐漸遞增。當設置6個醫生時，仿真得到的結果如圖7所示。

圖7　設置6個醫生的仿真結果Fig 7　Simulation results of setting six doctors

從圖7可知:病人的離開時刻明顯變小，離開時刻減去到達時刻最多都不會超過30min，而且病人的等待時間減少，逗留時間呈現較大的波動性。當配置不同數目的醫生，總費用如表1所示。

表1　配置不同數目的醫生對應的總成本

根據表1可知:當醫生人數從3人增加到6人，成本逐漸降低又升高，當配置醫生人數為5人時，總費用為最低,因此,配置5個醫生是最優的數目。

5結論

本文設計病人就診服務系統，利用指紋識別技術實現了對病人身份的準確識別；采用JFreeChart組件繪制醫生得分的柱狀圖；建立排隊論模型并對其優化，當配置醫生人數為5個時，是最優的數目。

參考文獻:

[1]李天慶，尹琳.加強就醫引導提高患者滿意度[J].中國醫院，2008(11):58-59.

[2]秦永益,趙建平,崔忠輝,等.基于CC2430和GSM的病房短信查詢系統的設計[J].通信技術，2013(9):72-74.

[3]謝少波.單片機控制TC35的短信群發系統[J].電子技術,2006(6):72-73.

[4]吳宏波.基于JFreeChart技術的Web數據圖表化表現[J].電子科技,2010(1):97-99.

[5]劉學鵬.基于排隊論的醫院門診科室醫生精細配置優化研究[D].天津：天津商業大學,2014:25-26.

[6]張建航,李宗成,宋曉峰.單服務員排隊模型及其蒙特卡洛模擬[J].現代電子技術,2006(24):44-45.

[7]周文正.排隊論模型在醫療服務系統中的應用研究[D]. 武漢：華中科技大學,2011:4.

[8]程賽.基于MatlabBuilderJA的QPSK調制解調在線仿真[J].信息通信，2012(5):45-46.

DesignandoptimizationofmedicalservicesystembasedonWSNs

JIANGLing，CHENXiang-dong

(SchoolofInformationScienceandTechnology,SouthwestJiaoTongUniversity,Chengdu611756,China)

Abstract:Aiming at problems such as scalpers sell numbers at a high price,patients see a doctor blindly and often queuing in hospital, a medical service system is designed and queuing phenomenon is improved.Because fingerprint has some characteristics,such as uniqueness and stability,and so on, which can be used to verify identity of patients.Based on the way of making charts by JFreeChart which draws bar charts that visually demonstrates the grades of doctors’ medical technology,attitude and patients’ treatment effect,so that patients can chose a doctor aimly.Using Matlab Builder JA builts a queuing model based on queuing theory,scientificly and quantitatively describe and optimize phenomenon of queuing on upper PC.By configuring the optimal number of doctors,minimize the total costs of patients waiting and doctor’s service.Because ZigBee technology has characteristics of low power consumption and low cost,which is regarded as wireless communication technology and combined with Internet technology to achieve medical service system for patients.Experiment shows that the system can effectively solve existing problems of medical service for patients.

Key words:medical service; fingerprint identification; JFreeChart; Matlab Builder JA

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0104—04

收稿日期：2015—07—17

中圖分類號：TP 393

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0104—04

作者簡介:

姜玲(1994-)，女，山西朔州人，碩士研究生，主要研究方向為無線傳感器網與嵌入式系統。