物聯(lián)網(wǎng)智能輸液系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

李東樹 郭滿 劉昶甫 于本成

摘要：物聯(lián)網(wǎng)智能輸液系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)、條碼、無線傳感器、數(shù)據(jù)挖掘、VoIP等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)院輸液的自動(dòng)化、可視化監(jiān)控和報(bào)警。解決人員效率、輸液安全、信息共享、通訊質(zhì)量、準(zhǔn)確性控制、輸液經(jīng)驗(yàn)等關(guān)鍵問題。在患者、藥品、醫(yī)務(wù)人員之間建立輸液虛擬空間，構(gòu)建新型的患者通信人性化系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能化;物聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡(luò);人性化

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0060-02

1序言

物聯(lián)網(wǎng)智能輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)主要基于病院已有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪硗瓿删W(wǎng)絡(luò)搭建，服務(wù)器傳送采用無線的模式，數(shù)據(jù)傳送則使采用醫(yī)院原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。系統(tǒng)構(gòu)建采用星型結(jié)構(gòu)，為了防止中心網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題，中心網(wǎng)絡(luò)采納兩個(gè)節(jié)點(diǎn)保障網(wǎng)絡(luò)可靠性，并使中心具有占領(lǐng)機(jī)制，保證中心的自我修復(fù)功能。

智能化物聯(lián)網(wǎng)輸液系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)將升級改造現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)和無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了對異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接人，為系統(tǒng)的順利實(shí)現(xiàn)提供了基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)嘲。

2智能輸液網(wǎng)絡(luò)感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee無線自組織網(wǎng)絡(luò)模式的智能輸液網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)由三部分組成：智能輸液狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳感器（采集節(jié)點(diǎn)）、無線中繼節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，將整個(gè)區(qū)域劃分為幾個(gè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)。采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集輸液過程中的狀態(tài)信息，通過中繼節(jié)點(diǎn)將輸液信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)處理接收到的信息并反饋必要的信息。為了保證系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用雙節(jié)點(diǎn)冗余結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器。正常情況下，主網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，備份網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于克隆狀態(tài)，監(jiān)聽主網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸嘲。備份節(jié)點(diǎn)也接收數(shù)據(jù)，但不處理數(shù)據(jù)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，它可以立即接管處理包。

2.1智能輸液狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)感知儀

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將設(shè)置在病房區(qū)或輸液大廳。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由智能輸液監(jiān)護(hù)儀（采集節(jié)點(diǎn)）、ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。輸液數(shù)據(jù)主要采集節(jié)點(diǎn)采集輸液過程信息（輸液規(guī)格、剩余質(zhì)量、剩余時(shí)間等），然后通過ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)。隨后集合到ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以直接訪問醫(yī)院現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理和分發(fā)。考慮到醫(yī)院基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化水平不統(tǒng)一，有的醫(yī)院部署了覆蓋醫(yī)院的無線局域網(wǎng)，有的醫(yī)院沒有部署無線局域網(wǎng)，或者部署范圍小。根據(jù)需要，在醫(yī)院病房區(qū)或輸液大廳部署WIFI熱點(diǎn)，護(hù)士可通過手持智能終端接收服務(wù)器發(fā)送的病人輸液等調(diào)度任務(wù)。在換液即將結(jié)束時(shí)，服務(wù)器通過WIFI將拔針任務(wù)調(diào)度發(fā)送到護(hù)士手持終端，護(hù)士之間也可以通過WIFI進(jìn)行通信。智能輸液和呼叫中心服務(wù)器通過醫(yī)院基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和HIS系統(tǒng)連接。HIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)庫耦合從HIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫視圖中獲取，從而提供系統(tǒng)的服務(wù)范圍和能力。具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可以通過醫(yī)院內(nèi)部或外部網(wǎng)絡(luò)連接到中心服務(wù)器，查詢輸液相關(guān)信息，如病人輸液狀態(tài)信息、護(hù)士工作量信息、輸液倉庫信息等。中心服務(wù)器還可以根據(jù)系統(tǒng)配置將相關(guān)信息推送到特定用戶。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2無線中繼節(jié)點(diǎn)

每個(gè)無線自組織網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點(diǎn)、若干中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。為了優(yōu)化無線網(wǎng)絡(luò)的性能，需要合理地配置路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集輸液信息，通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)處理接收到的信息并反饋必要的信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)輸液應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署要求進(jìn)行分析：采集節(jié)點(diǎn)在輸液大廳或輸液病房是一種集中式均勻分布方式;節(jié)點(diǎn)密度較大且需要有較好的連通性，且需要網(wǎng)絡(luò)保證覆蓋范圍;節(jié)點(diǎn)只要架設(shè)完畢，就既不需要變動(dòng)，也不需要人工配置網(wǎng)絡(luò);采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電的工作方式，要求能量消耗少，能勝任長期監(jiān)測任務(wù)。

本次采用分布式星型結(jié)構(gòu)，中心節(jié)點(diǎn)若采用單一節(jié)點(diǎn)，會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，若出現(xiàn)單點(diǎn)阻礙，會(huì)讓正整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，為此設(shè)計(jì)冗余中心節(jié)點(diǎn)協(xié)議，通過冗余結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)的可靠性。

在基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，基于鏈的線性網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相對淺顯，健壯性略弱，當(dāng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞會(huì)導(dǎo)致單條鏈路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生異常;基于網(wǎng)的平面網(wǎng)絡(luò)，雖然連通性好、網(wǎng)絡(luò)健康，但是這類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在效率差的缺陷;基于簇的分層網(wǎng)絡(luò)，不僅具備網(wǎng)的平面網(wǎng)絡(luò)的好處，同時(shí)還具有分布式協(xié)同處理和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)勢。根據(jù)對輸液監(jiān)護(hù)應(yīng)用場景的分析，系統(tǒng)更適合采用基于簇的分層網(wǎng)絡(luò)，在保障網(wǎng)絡(luò)健壯性的同時(shí)，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。

2.4網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

輸液節(jié)點(diǎn)是對病人監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)，但由于各種意外情況（斷電、傾塌，通訊中斷等）的出現(xiàn)，可能導(dǎo)致輸液過程中的安全性問題。為了保障系統(tǒng)的可靠性，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用雙節(jié)點(diǎn)冗余結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)使用網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器相連接，一般情況下，主網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)，備份網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于克隆狀態(tài)，偵聽主網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的傳輸情況㈣。備份節(jié)點(diǎn)也接收數(shù)據(jù)，但不處理數(shù)據(jù)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以立即接管處理數(shù)據(jù)包，設(shè)計(jì)的防意外處理方法要切實(shí)有效的保證輸液節(jié)點(diǎn)在意外出現(xiàn)時(shí)，能夠快速恢復(fù)或者報(bào)警通知。節(jié)點(diǎn)冗余結(jié)構(gòu)如圖3所示。

輸液節(jié)點(diǎn)的主從關(guān)系首先通過比較優(yōu)先級獲得，優(yōu)先級默認(rèn)為1，管理員可以自行修改，當(dāng)優(yōu)先級一致時(shí)，比較計(jì)算機(jī)的MAC地址，最終確立主從關(guān)系。為了使協(xié)商過程可以有效進(jìn)行，通過計(jì)算機(jī)串口心跳線作為傳輸媒介。如圖4所示。

對于功能不單一的設(shè)備的最佳解決方法是使用有限狀態(tài)機(jī)，這種方式可以使協(xié)議方知道當(dāng)前自己所處的狀態(tài)，通過狀態(tài)判斷當(dāng)前的任務(wù)。輸液中心節(jié)點(diǎn)包括Init、2-Way、Wait、Er-r叫、Confirm、Clone和Active狀態(tài)。選舉過后處于Active狀態(tài)的中心節(jié)點(diǎn)為工作節(jié)點(diǎn)，處于Clone狀態(tài)的中心節(jié)點(diǎn)僅接收信息而不處理信息。這種冗余的方式可以增加現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

3總結(jié)

結(jié)合異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)，完成了異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接入，為系統(tǒng)的順利完成帶來了基本的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。采用了ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它由智能輸液監(jiān)測采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee中繼節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署，采用分布式星形結(jié)構(gòu)來保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性，降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用雙節(jié)點(diǎn)冗余結(jié)構(gòu)㈣。在緊急情況下，備份節(jié)點(diǎn)可以立即接管處理數(shù)據(jù)包，防止輸液節(jié)點(diǎn)發(fā)生意外。