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(yī)科大學 生物醫(yī)學工程學院，廣州 510515）

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡和通信技術的進一步發(fā)展，以及醫(yī)療體制的不斷完善，醫(yī)院信息化程度已經(jīng)得到了大幅度的提高，在新的技術背景下采用現(xiàn)有醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應用實現(xiàn)醫(yī)療服務和醫(yī)院管理的智能化和高效化變得日益迫切。本文針對醫(yī)院嬰兒監(jiān)護工作中的安全隱患，借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有的解決方案，以現(xiàn)有監(jiān)護體系及網(wǎng)絡應用為基礎提出一種基于有源RFID技術的母嬰安全監(jiān)護（Maternal-infant Safety and Surveillance,MISS）系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案[1]。母嬰安全監(jiān)護系統(tǒng)的設計采用B/S模式，以有源RFID標簽和讀卡器作為系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)的采集終端，并以開源LAMP作為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺[2]，實現(xiàn)對醫(yī)院婦產(chǎn)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(yī)護人員提供實時的信息交互及醫(yī)務決策平臺。有源RFID母嬰安全監(jiān)護系統(tǒng)的應用，能實時監(jiān)測嬰兒的生命體征信息，進行嬰兒位置狀態(tài)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(fā)生，對提高醫(yī)院母嬰監(jiān)護工作的效率，促進其智能化發(fā)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(tǒng)設計的硬件基礎，用于實現(xiàn)對目標數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)需求以及應用條件，采用一種有源RFID硬件系統(tǒng)，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，該RFID硬件系統(tǒng)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(tǒng)

閱讀器是連接底層標簽數(shù)據(jù)與上位機服務程序的紐帶和橋梁。在本系統(tǒng)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(nèi)置防碰撞算法機制[3]，能夠同時接收多個標簽的數(shù)據(jù)信息。該閱讀器配有RJ-45以太網(wǎng)接口及RS232/RS485數(shù)據(jù)接口，可以實現(xiàn)閱讀器與計算機間的互聯(lián)。通過閱讀器內(nèi)部預置的繼電開關，可以以硬件觸發(fā)或軟件觸發(fā)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(nèi)部集成雙溫度傳感器及震動傳感器單元模塊，能夠?qū)崟r監(jiān)測人體體溫、環(huán)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(shù)據(jù)編碼規(guī)則以射頻信號的形式發(fā)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(jié)構(gòu)的開發(fā)模式，是對傳統(tǒng)的使用兩層結(jié)構(gòu)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(fā)，可以將系統(tǒng)的主要邏輯業(yè)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(tǒng)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(tǒng)數(shù)據(jù)不再具有較強的分布特性，數(shù)據(jù)信息被集中于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫當中，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時共享和同步操作提供了條件，有利于減少系統(tǒng)維護的復雜度[4]。

考慮B/S模式的一種實現(xiàn)方法，本文采用基于LAMP（Linux+Apache +MySQL +PHP）平臺的B/S模式進行系統(tǒng)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(tǒng)采用Linux（CentOS 6.2）作為服務器操作系統(tǒng)，采用Apache 2.2和MySQL 5.1分別作為服務器軟件和后臺數(shù)據(jù)庫軟件，并以PHP 5.3作為網(wǎng)絡服務器端的開發(fā)腳本。

2 系統(tǒng)總體設計

MISS系統(tǒng)整體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主體由基于RFID設備的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)存儲分析和業(yè)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(xiàn)對母嬰信息的實時監(jiān)測和收集，系統(tǒng)采用上述有源RFID設備構(gòu)建了底層的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)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(tài)信息；同時調(diào)整閱讀器的功率參數(shù)使其閱讀范圍覆蓋某一特定區(qū)域（通常一個病房內(nèi)安置一個閱讀器），可以使閱讀器接收其信號覆蓋范圍內(nèi)所有標簽的數(shù)據(jù)信息。為了實現(xiàn)對標簽數(shù)據(jù)的實時處理，采用JAVA語言結(jié)合JDBC（Java Database Connection）及多線程技術進行網(wǎng)絡編程，開發(fā)了用于系統(tǒng)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(xiàn)對閱讀器的訪問和控制。系統(tǒng)中間件程序?qū)㈤喿x器獲得的標簽數(shù)據(jù)進行實時存儲和分析，按照標簽數(shù)據(jù)編碼格式與系統(tǒng)業(yè)務需求完成數(shù)據(jù)的解析與處理，并將其寫入后臺數(shù)據(jù)庫，建立起實時的數(shù)據(jù)庫應用機制。服務器平臺是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的重要物理條件，系統(tǒng)以此為基礎完成用戶業(yè)務請求和實時的數(shù)據(jù)響應，同時采用網(wǎng)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(jiān)護系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)

2.1 功能分析

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

1）嬰兒體溫的監(jiān)測和追蹤：系統(tǒng)在工作過程中需實時訪問標簽所測得的嬰兒體溫參數(shù)，并在監(jiān)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(tǒng)根據(jù)讀卡器的位置配置及標簽的信號強度對嬰兒所在區(qū)域進行模糊定位，并以電子地圖形式為監(jiān)護人員提供實時的嬰兒位置信息。3）嬰兒及標簽異常狀態(tài)的反饋，查詢和處理：系統(tǒng)依據(jù)標簽確定的嬰兒體溫值和位置狀態(tài)，結(jié)合預先設置的異常閾值（嬰兒的體溫異常值和標簽禁區(qū)區(qū)域）對嬰兒狀態(tài)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(tǒng)需提供與醫(yī)院原有HIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，以方便病歷信息的統(tǒng)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(shù)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(tǒng)數(shù)據(jù)維護及用戶的管理：系統(tǒng)需提供數(shù)據(jù)庫維護工具，實現(xiàn)母嬰及標簽信息的備份處理，減少系統(tǒng)數(shù)據(jù)的冗余。同時，建立用戶權限的管理機制，確保系統(tǒng)資源訪問的安全性。

2.2 軟件設計

MISS系統(tǒng)的軟件設計需要考慮對標簽數(shù)據(jù)信息的復雜處理、對用戶業(yè)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(fā)的MISS系統(tǒng)具有B/S模式固有的三層軟件結(jié)構(gòu)，其總體模型如圖3所示，系統(tǒng)由用戶層，業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)層三個相對獨立的軟件層構(gòu)成。

圖3 MISS系統(tǒng)軟件模型

用戶層是MISS系統(tǒng)三層軟件結(jié)構(gòu)中的第一層，主要由客戶端網(wǎng)絡瀏覽器構(gòu)成。在本文系統(tǒng)設計的過程中，運用HTML、Javascript等瀏覽器腳本技術開發(fā)了嬰兒體溫、位置等狀態(tài)信息的實時監(jiān)控界面，為用戶提供業(yè)務信息請求的窗口。業(yè)務邏輯層是MISS系統(tǒng)的功能層，它以web服務器為基礎，主要由業(yè)務接口，業(yè)務模型以及業(yè)務數(shù)據(jù)響應三個子模塊組成。業(yè)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(tǒng)用戶的業(yè)務請求，傳遞業(yè)務指令并對其進行解析，再根據(jù)請求類型調(diào)用相關的業(yè)務處理模型，完成系統(tǒng)的任務調(diào)度。業(yè)務模型定義了系統(tǒng)所有的功能，包含嬰兒體溫監(jiān)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(tǒng)數(shù)據(jù)維護等多個單元。業(yè)務模型的處理有賴于對標簽數(shù)據(jù)信息和母嬰信息的管理，在系統(tǒng)內(nèi)部建立起異常處理機制結(jié)合標簽數(shù)據(jù)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(yè)務數(shù)據(jù)響應模塊主要進行系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)處理結(jié)果的分析和緩存，并根據(jù)用戶需求將對應的數(shù)據(jù)結(jié)果返回系統(tǒng)終端。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫所在，用以存儲RFID數(shù)據(jù)，同時為系統(tǒng)業(yè)務邏輯層提供數(shù)據(jù)接口，可以接收業(yè)務處理所需要的數(shù)據(jù)操作請求，完成數(shù)據(jù)的訪問查詢。

2.3 數(shù)據(jù)庫設計

在MISS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫為底層RFID數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡提供了數(shù)據(jù)存儲空間，同時也為實現(xiàn)醫(yī)院HIS系統(tǒng)的融合提供了數(shù)據(jù)接口。RFID標簽的數(shù)據(jù)信息是系統(tǒng)最為關鍵的業(yè)務數(shù)據(jù)，為了實現(xiàn)海量復雜的標簽數(shù)據(jù)的有效存儲與分析，本文采用MySQL數(shù)據(jù)庫技術結(jié)合系統(tǒng)功能需求設計了MISS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。在該數(shù)據(jù)庫中，依照系統(tǒng)的業(yè)務處理模型及數(shù)據(jù)來源定義了十個實體作為數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，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(tǒng)用戶信息表（user）。以標簽數(shù)據(jù)信息為基礎，系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)表之間根據(jù)唯一的標簽序列號（TagID）實現(xiàn)彼此關聯(lián)。

2.4 實時數(shù)據(jù)響應

在MISS系統(tǒng)的工作過程中涉及多種業(yè)務模型和繁重的實時RFID數(shù)據(jù)處理，為了減少業(yè)務處理過程中用戶端和系統(tǒng)服務器間的直接數(shù)據(jù)請求，避免頁面靜態(tài)數(shù)據(jù)信息的多次處理，在系統(tǒng)設計的過程中，綜合運用AJAX（異步JavaScript和XML，Asynchronous JavaScript and XML）異步數(shù)據(jù)刷新機制以及PHP技術，實現(xiàn)用戶端實時的數(shù)據(jù)監(jiān)測。

圖4 MISS系統(tǒng)訪問流程

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

MISS系統(tǒng)的使用依據(jù)其內(nèi)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(tǒng)頁面分布及訪問流程如圖4所示。

系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)需求開放注冊權限，所有合法用戶經(jīng)過系統(tǒng)的登陸驗證可以訪問使用系統(tǒng)資源。其中，普通用戶是系統(tǒng)的基本使用者，在MISS系統(tǒng)中普通用戶的權限角色主要針對醫(yī)務監(jiān)護人員而設定，它具有查看嬰兒標簽列表、系統(tǒng)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(tǒng)電子地圖是MISS系統(tǒng)的主要監(jiān)控界面，可以為用戶提供系統(tǒng)預設禁區(qū)和普通病區(qū)內(nèi)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(tǒng)的硬件配置信息查詢提供了平臺。管理員用戶是系統(tǒng)的維護使用者，系統(tǒng)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(tǒng)設置的權限。母嬰信息管理包括對系統(tǒng)內(nèi)注冊的母嬰信息的更新和維護，可以方便醫(yī)務人員完成病人的出入院管理；硬件信息管理為系統(tǒng)的硬件配置提供了校準入口，它的設定可以確保系統(tǒng)的正確運行；系統(tǒng)設置則為系統(tǒng)的參數(shù)設置、用戶管理及標簽數(shù)據(jù)維護提供了窗口工具，系統(tǒng)管理員可以根據(jù)實際需求對系統(tǒng)內(nèi)所使用的所有閾值信息進行配置，同時定期地對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行管理，以確保系統(tǒng)的工作性能。

3.1 主要功能實現(xiàn)

異常監(jiān)控是系統(tǒng)最主要的功能，實現(xiàn)MISS系統(tǒng)中的異常處理主要包括對標簽溫度信息，標簽脫落狀態(tài)，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(tǒng)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(tǒng)首先獲取標簽數(shù)據(jù)信息，以此為基礎進行標簽異常事件的判斷處理。首先，根據(jù)獲得的標簽數(shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)庫當前已注冊標簽信息判斷標簽數(shù)據(jù)是否消失；然后，對于嬰兒體溫異常的分析，MISS系統(tǒng)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(jié)合標簽提供的溫度數(shù)值信息對嬰兒體溫狀態(tài)進行判斷，一旦檢測到溫度數(shù)值處于正常閾值范圍之外系統(tǒng)將做出溫度異常處理；其次，對于嬰兒異常位置的識別，系統(tǒng)主要根據(jù)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(jié)合系統(tǒng)預設的禁區(qū)閾值，對所有屬于禁區(qū)區(qū)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(tài)以及電量異常的判別，主要結(jié)合標簽數(shù)據(jù)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(tài)則可判斷其為脫落狀態(tài)，而當標簽電量標志位數(shù)值小于標簽正常工作所需電量數(shù)值時則對其進行低電量報警處理。

在MISS系統(tǒng)中提供以電子地圖為基礎的嬰兒實時信息的監(jiān)控窗口，其主要界面如圖5所示。頁面頂部為系統(tǒng)的主功能區(qū)，點擊相應的功能圖標可以進入其使用界面?；诘貓D的母嬰實時監(jiān)護界面以病房為實際的監(jiān)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(tǒng)計在每個監(jiān)控單元內(nèi)部的母親與嬰兒的人數(shù)，以鼠標放置在嬰兒或母親的圖標之上可以顯示當前區(qū)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(tǒng)的異常信息以“流水燈”形式進行顯示，同時對于某一區(qū)域所在嬰兒的異常信息還將在該區(qū)域顯示警報標識。

圖5 系統(tǒng)監(jiān)控界面

3.2 性能測試評估

為了評估系統(tǒng)實時響應能力，本文采用httperf和autobench對系統(tǒng)進行了性能仿真測試[7]。其中系統(tǒng)測試的服務器主機硬件環(huán)境配置為雙核Intel Pentium D 3.2GHz CPU、3.8G內(nèi)存，服務器操作系統(tǒng)采用CentOS 6.3 32bit，并以Apache 2.2.15、MySQL 5.1.61以及PHP 5.3.16構(gòu)建web軟件環(huán)境，測試網(wǎng)絡環(huán)境為100Mbps全雙工局域網(wǎng)。系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)來源于虛擬RFID標簽數(shù)據(jù)，在測試過程中實驗程序以真實標簽數(shù)據(jù)為模板搭建RFID數(shù)據(jù)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(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔為0.6s。利用autobench進行系統(tǒng)并發(fā)請求測試，以上述系統(tǒng)實時監(jiān)控頁面為測試路徑，設定總聯(lián)接用戶數(shù)為200，最低并發(fā)請求率為10個/s，最高并發(fā)請求率為10000個/s，測試期間每次測試請求數(shù)以每秒100個作為增長步長，其響應測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)并發(fā)處理測試

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

4 結(jié)束語

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

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