基于物聯網與無線局域網技術結合的醫院移動設備定位管理系統設計

黃捷，潘愈嘉

廣西貴港市人民醫院 信息科，廣西 貴港 537100

引言

如今，醫院移動設備的推廣使用在很大程度上給患者與醫護人員帶來了舒適與便捷的體驗效果，如院前急救設備、病區移動車輛、無線通信辦公設備、科室治療儀器及監測設備等，但隨著醫院的不斷發展與建設，數量日益增長的移動醫療設備也逐漸成為醫療設備部門日常管理的難題。諸如：需要維護的搶救設備因錯放位置而增加設備的故障排除時間；無線辦公設備的丟失導致醫院的重復采購；移動設備的項目多、歸類復雜也增加了設備的盤點難度等[1-3]。

傳統的設備定位管理系統中應用了物聯網的無線射頻技術（Radio Frequency Identification Technology，RFID）在移動設備上安裝帶有ID的電子標簽[4-5]，通過電磁場以無線方式進行RFID讀卡器之間的雙向通信，從而識別標簽ID并依靠定位服務器中的加權K近鄰算法（k-Weighted Nearest Neighbor，KWNN）做區域定位。雖然傳統的RFID定位方案具有抗干擾、高準確性、靈活性和可擴展性等一系列優點，但事實上由于RFID業務頻段多變，而且有源RFID讀卡器成本較高，在醫院的院區范圍內不可能密集性布置RFID讀卡器，同時該定位方案并不支持稱動辦公設備如筆記本電腦，手持平板等基于TCP/IP協議通訊的無線網絡設備。

1 設計目標

為了更好地解決上述問題，本文提出基于物聯網與無線局域網技術結合的醫院移動設備定位管理系統設計方案，在醫院搭建一套針對資產的安防及監控系統，提升醫療設備的利用率的同時也降低醫療設備采購率，為設備的成本核算和績效分析提供了準確的數據基礎，達到有效提高醫院資源管理的水平[6]。

2 系統架構

本設計方案是基于物聯網與無線局域網技術結合的定位管理系統，從系統框架上可總結出三個部分，感知終端、傳輸網絡、應用系統[1]，見圖1。

圖1 醫院移動設備定位系統架構圖

2.1 感知終端

通過二維碼、條形碼、無線射頻等技術對醫生查房車、院前搶救設備、醫護移動智能終端、移動監測設備等進行分類并標識[7]。在大型移動設備上安裝RFID電子標簽，這些設備可以通過RFID標簽進行標識，設備信息與唯一的ID對應，帶有感知終端的設備被取走時可以跟蹤到取用者ID，形成完整的使用鏈關系。RFID電子標簽一般分為無源式標簽和有源式標簽。無源RFID標簽的工作能量均需RFID閱讀器發射的電磁場來提供，其最大有效感應距離只有幾十厘米；有源RFID標簽通過自帶電源傳輸較強信號，因而具有更遠的讀寫距離。本系統中的RFID標簽均采用基于RFID 2.4G通信協議的有源標簽，在極端測試環境中與RFID模塊之間的無線傳輸范圍為3～60 m。關于電池可靠性方面，標簽在兩節240 mAh的紐扣電池的驅動下間歇性自動對外廣播ID，而且通過低功耗的設計方案使得標簽使用時間長達三到五年[2]。

2.2 傳輸網絡

傳輸網絡的主要設備包括物聯網AP、AP控制器AC、中間件控制器MC和物資定位輔助裝置。其中物聯網AP是系統的關鍵組成部分，它有別于傳統AP的特點，是既可以提供千兆的無線速率也同時支持RFID射頻信號的覆蓋。其支持RFID射頻信號的原理是AP內部除了有支持第三方RFID閱讀器模塊的應用插槽，還有可以直接將RFID閱讀器的指令轉換成標準的以太網數據格式的中間件技術，通過收集電子標簽信息和下發控制指令來完成與應用程序的交互[8]。物聯網AP部件結構如圖2。

圖2 物聯網AP部件結構

通過在醫院的重要位置如一樓出入口、病區走廊、臨床科室與庫房等關鍵區域，使用物聯網AP+輔助定位器+饋線天線方式進行布線與設備安裝。為了完成室內信號覆蓋，根據實際測試結果，如我院某病區面積約500 m2，共布置了4個物聯網AP和10個輔助定位器，其中AP中的RFID模塊采用饋線方式進入病房，每條饋線通過天線發射的信號可覆蓋相鄰的兩間病房，而走廊區域等開闊區域只需通過物聯網AP即可完成信號覆蓋。物聯網AP部署如圖3。

物聯網AP作為無線接入點，在物資定位輔助裝置協助下，將感知到帶有電子標簽的移動醫療設備的位置和信息通過千兆以太網快速發送到物聯網中間件控制器。以上方案的優勢包括：① 建設初期選用千兆的無線局域網傳輸網絡再配合支持該速率的物聯網AP可以更快速地響應控制指令和傳輸設備信息，而且可以回傳大型多媒體數據如視頻影像至手持終端設備；② RFID讀卡器模塊化的物聯網AP結合了RFID與WLAN兩種技術的優點，既沿用了RFID讀寫準確性高、速度快、抗污染和耐久性，也可以通過WLAN準確定位接入到無線局域網的非標簽式無線辦公設備，RFID與WLAN的有效融合不僅減少了醫院在對物聯網與無線局域網方面的重復建設，也節省了投資成本；③ 物聯網AP配合中間件控制器同時使用，可以實現對RFID閱讀器和標簽進行統一管理和狀態監控，控制器自動優化和調整RFID頻道，集中下發硬件配置和系統固件，同時也包括多樣靈活的用戶安全和管理策略。

圖3 物聯網AP部署示意圖

2.3 應用系統

設備定位管理系統實時接收被定位對象的MAC地址或ID信息以及獲取到的信號強度值，通過RSSI（Received Signal Strength Indicator）核心三角定位算法，在事先導入的建筑平面圖以電子地圖形式顯示移動設備的具體位置，再通過處理傳感器數據并將事件發送至資產管理系統。資產管理系統的主要作用是對高價值、移動醫療設備進行高效管理，此時除了可以通過設備管理部門的電子屏幕上顯示實時定位和移動軌跡，也可以在系統后臺提供新的報表和指標透視庫存、使用率和異常情況，見圖4。

圖4 應用系統示意圖

3 主要功能

3.1 移動醫療設備自動盤點

首先由設備管理部門對移動醫療設備制作電子標簽，由于RFID芯片數據容量足夠大，可以存儲設備的基礎數據包括設備代碼、拼音編碼、名稱、別名、計量單位等信息；然后由設備盤點人員使用帶Wi-Fi功能和存儲了設備基礎數據的RFID手持掃描終端，按照科室為單位進行規劃范圍內走動，手持終端自動獲取電子標簽的信息并通過物聯網AP上傳至無線局域網；最后數據經過資產管理系統的后臺分析自動生成盤點報表，如果在盤點過程中發現醫療設備擺放位置錯誤，則返回報警信息至盤點人員的手持終端，提醒工作人員到提示位置進行確認設備的缺失或錯放。

3.2 移動設備生命周期活動軌跡查詢

一般來說，設備全生命周期分為三個階段，分別為開發制造階段BOL（Beginning of Life），使用維護階段MOL（Middle of Life）和回收利用階段EOL（End of Life）。第一階段移動醫療設備在設備入庫時便由系統生成唯一ID對應的RFID信息；第二階段移動設備在使用過程中，系統自動收集設備的使用地點、使用時間、使用條件等數據，由于在系統中提前錄入維修工程師、電話、配件價格等明細信息，所以在設備發生維修情況時通過手持終端讀取標簽信息以便于縮短維護周期；第三階段如果設備出現損壞無法維修的情況，可以通過系統查詢設備以往的維修記錄，巡檢記錄等信息，為管理人員確定責任事故提供有據可查[9]。

3.3 移動設備實時使用狀態管理

該功能由兩個模塊提供系統所需的基礎數據。電流檢測模塊：移動設備電源輸入線路與電流檢測模塊連接，通過檢測設備零線電流值數據變化并將模擬信號轉變數字信號，由物聯網AP經無線局域網上傳電流數據到系統服務器，從而實時判斷設備當前處于離線、待機或者工作狀態[7]。RFID識別模塊：物聯網AP中的RFID插件通過感知移動設備的電子標簽，經由無線局域網上傳設備基本信息與位置情況到服務器進行數據分析，最終實現準確定位與顯示實時的活動軌跡。

3.4 移動設備防丟失

移動設備防丟失功能主要應用對象是便攜式的移動辦公終端和帶RFID標簽的移動設備。針對限制活動范圍的移動設備如手持終端、監護儀、霧化器等科內設備，首先需要在病區的主要出口安裝無線傳感器；然后通過無線網絡與物聯網AP聯動后在資產管理系統界面設置電子圍欄，將禁止外出的設備ID信息設置活動權限僅在隔離區內；最后當被鎖定的移動設備一旦超出電子圍欄允許范圍的時候，系統可以通過聲音或文字等提示方式，發送報警信息至設備管理員或安全管理部門。

4 應用效果與分析

系統在我院投入使用后，取得了良好的效果。首先，提高了我院設備管理人員的盤點速度，減少了盤點過程中出現的人為錯誤，提高了最終數據的準確性和賬物符合率[10]。其次，通過無線射頻與無線局域網技術收集數據形成可視化的移動設備生命周期活動軌跡查詢，使得設備管理由被動管理變為主動管理，靜態管理結合動態管理的同時不但減少了維修成本和維修周期，而且便于設備資源的合理利用，為醫院管理者對設備購置決策提供重要的參考依據[11]。再次，通過監測設備工作狀態與位置信息，移動設備實時使用狀態管理功能既方便醫院管理部門進行及時調配，又可以統計設備單次使用折舊成本和用電成本，為醫療設備的績效核算提供數據依據[12]。最后，對逃逸資產產生實時預警，使設備管理人員及時并有效地處理設備丟失事件，減少了設備的重復購置，同時也為醫院移動資產提供了安全保障。

但是，基于雙網技術結合的醫院移動設備定位管理系統在使用過程中還存在一些問題，需要在不斷探索中持續改進。例如：① 由于自身發射功率的限制，本系統中使用的低功耗有源RFID標簽在遠離建筑的室外環境無法準確定位，若是使用大功率的板載電源，又會大大增加標簽成本并產生電池續航等問題；② 原有的移動醫療設備的基本信息是通過條形碼進行識別來錄入系統，實現方式簡單且投入成本低，當使用設備定位系統后設備的管理費用將會大量增加，如RFID標簽的制作；③ 無線網絡在物理層面上屬于不可靠傳輸，由此產生的通信竊聽等安全問題會導致一些隱私數據的外泄，雖然隨著無線網絡安全技術的不斷發展，相應的安全感知與入侵檢測設備已經可以很好地防御網絡攻擊，但是昂貴的安全保障成本也在制約著無線網絡的應用[4]。

6 結語

基于物聯網技術與無線局域網技術結合的醫院移動設備定位系統，通過實時定位監控移動設備獲得資產的可視性，不僅可以高效輕松地管理大量移動設備，方便醫院管理部門進行靈活調配，而且有效延長了設備的生命周期，也減輕了維護人員的工作壓力，提升醫療設備的利用率的同時也降低醫療設備采購率。本系統通過引入先進的物聯網AP，不僅有效地融合了物理網與無線局域網，也實現了統一規劃統一管理，減少了醫院網絡的重復建設[13-16]。