蘇秋玲，董少良，洪范宗，王 敏，鄭月瓊

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)作為當(dāng)前國內(nèi)外傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，它利用各種信息傳感設(shè)備如射頻識別（radio frequency identification，RFID）、紅外傳感器、全球定位系統(tǒng)（global position system，GPS）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）[1-2]等與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，通過智能連接的網(wǎng)絡(luò)[3]對一切事物信息進(jìn)行感知，并實(shí)現(xiàn)“物物交流”，將信息和交流由用戶端延伸至物品端。醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將醫(yī)療對象智能感知與醫(yī)療業(yè)務(wù)流程進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療全過程的自動化處理，它以“智慧醫(yī)療”的概念開啟了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的先河，目前主要應(yīng)用于病患識別、母嬰管理和藥品、耗材、檢驗(yàn)標(biāo)本的管理等多個領(lǐng)域[4]。

隨著對醫(yī)療質(zhì)量要求的提高，醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量水平逐漸成為制約因素之一，醫(yī)療設(shè)備的質(zhì)量控制管理具有重要意義[5]，它需要有更先進(jìn)、系統(tǒng)的醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量保障措施來應(yīng)對。從醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展來看，現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化醫(yī)院的建設(shè)離不開無線化、網(wǎng)絡(luò)化和實(shí)時化的支持；而從物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點(diǎn)來看，其在無線化、網(wǎng)絡(luò)化及實(shí)時化處理上具有獨(dú)特優(yōu)勢，其應(yīng)用不僅是簡單的數(shù)字化存儲和信息集成，它更多地關(guān)注醫(yī)療的全面信息化、監(jiān)管的智能化和信息獲取的實(shí)時化，能從全局把握影響醫(yī)療質(zhì)量的關(guān)鍵點(diǎn)及薄弱處。近年來，紅外、RFID等信息傳感技術(shù)的出現(xiàn)，催生了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，從而能為研制新一代醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制信息管理系統(tǒng)提供參考模式和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[6-7]。因此，依據(jù)醫(yī)院衛(wèi)生裝備租賃運(yùn)營特點(diǎn)，我們研究了衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制物聯(lián)網(wǎng)化管理整體方案及應(yīng)用方法分析[8-9]，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，關(guān)注應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)及解決方案，從而促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備全壽命過程數(shù)字化、智能化及實(shí)時化的監(jiān)管中。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)需要同時獲得醫(yī)療設(shè)備的基本信息和環(huán)境參數(shù)等，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳遞至監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件，具體應(yīng)用框架如圖1所示。前端RFID標(biāo)簽由控制模塊、傳感模塊、存儲模塊、耦合模塊及電源模塊（可選）組成，用于衛(wèi)生裝備質(zhì)量信息的感知和上傳，所需數(shù)量一般較大，應(yīng)注意成本控制；網(wǎng)絡(luò)控制對系統(tǒng)起著承上啟下的作用，即上傳遞設(shè)備的信息，下采集設(shè)備的信息，系統(tǒng)中是通過RFID讀寫器和天線設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)制的；監(jiān)控中心通過上位機(jī)軟件對接收到的設(shè)備質(zhì)量控制信息進(jìn)行處理，同時進(jìn)行工作模式設(shè)計(jì)，以最大限度地降低能耗。

圖1 衛(wèi)生裝備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)框架

2 RFID標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)

依據(jù)是否采用電源模塊將標(biāo)簽分為有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽[10]。無源標(biāo)簽僅提供基本的被感知能力和數(shù)據(jù)存儲能力，有源標(biāo)簽則提供感知、控制和通信的功能。對于無源標(biāo)簽，現(xiàn)有技術(shù)已基本成熟，并有了較多的成品，在衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制應(yīng)用中可以用于實(shí)時性要求不高、非高風(fēng)險(xiǎn)類的設(shè)備管理。而有源標(biāo)簽，其實(shí)質(zhì)就是一個嵌入式系統(tǒng)，需控制芯片提供傳感器控制、定位處理、通信協(xié)議定制及數(shù)據(jù)處理等功能，所需的能耗會較大，因而通常需要外接電源模塊支持。在此主要討論有源標(biāo)簽的實(shí)現(xiàn)，按模塊、性能需求及其能耗指標(biāo)進(jìn)行硬件選擇。

2.1 控制模塊

依據(jù)性價比要求，選擇CC2431作為標(biāo)簽核心控制模塊。CC2431是一個真正的系統(tǒng)芯片（SoC）[11]，符合CMOS解決方案，它在單個芯片上整合了射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、幾個定時器（timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路（power on reset）、掉電檢測電路（brown out detection）以及21個可編程I/O引腳。這種解決方案不僅能夠滿足衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制應(yīng)用的性能需求，還能滿足2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本、低功耗的要求，相信未來將應(yīng)用于社會的多個領(lǐng)域。CC2431基本功能模塊組成圖如圖2所示。

為達(dá)到資源優(yōu)化配置的目的，充分利用醫(yī)療設(shè)備資源，我院開展了設(shè)備租賃業(yè)務(wù)，由設(shè)備租賃中心對一些急救設(shè)備進(jìn)行“專管共用”管理。然而，設(shè)備租賃過后所能獲得的信息僅限于所在科室，無法做到追蹤管理，不能達(dá)到高效調(diào)配的目的。因此，通過RFID標(biāo)簽對設(shè)備進(jìn)行定位功能配置，可以保證隨時隨地地追蹤，保障緊急情況下設(shè)備的調(diào)配。CC2431有定位跟蹤引擎，能達(dá)到系統(tǒng)實(shí)時定位追蹤的目的，從而有效提升衛(wèi)生裝備緊急情況下處理的效率。

圖2 CC2431功能框圖

2.2 傳感模塊

傳感模塊是指標(biāo)簽需具備探測環(huán)境各種指數(shù)的功能（如溫度、濕度和各種有害氣體）和超限警報(bào)提示的能力。通過標(biāo)簽組網(wǎng)，監(jiān)控中心能夠?qū)崟r觀察到各傳感器的檢測數(shù)據(jù)，即可實(shí)時獲得設(shè)備所處環(huán)境信息，當(dāng)各種環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)時則進(jìn)行報(bào)警。常用數(shù)字溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器DT284等完成環(huán)境中溫濕度的數(shù)據(jù)采集。應(yīng)用中擬由集成式環(huán)境傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過控制芯片的RXD與TXD引腳采用串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送?？紤]設(shè)備使用及標(biāo)簽的節(jié)能問題，還應(yīng)通過驅(qū)動程序?qū)鞲须娐饭ぷ鞣绞健⒛Ｊ椒矫孢M(jìn)行優(yōu)化，以減少不必要的能耗。

2.3 存儲模塊

目前，市場上使用的RFID標(biāo)簽存儲空間可達(dá)512 B到4 MB不等，這樣的存儲模塊完全可以滿足衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制數(shù)據(jù)存儲的要求。

2.4 耦合模塊

RFID系統(tǒng)耦合模塊通?？梢赃x擇多個頻段，不同頻段有著不同的特點(diǎn)，UHF頻段的RFID系統(tǒng)讀取速度較快、識別距離較遠(yuǎn)，近年來得到了較快的發(fā)展，因此，我們考慮用于UHF中的耦合器。RFID標(biāo)簽?zāi)芊奖?、快速地通過耦合器返回設(shè)備數(shù)據(jù)信息并由天線進(jìn)入讀寫器的射頻耦合模塊。

3 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)主要是對閱讀器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，對其集成微處理器和微型操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)中間件功能，完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在醫(yī)院流通過程中質(zhì)量控制數(shù)據(jù)接力傳送的適配與調(diào)節(jié)。這就要求RFID讀寫器對獲取到的設(shè)備質(zhì)量控制信息進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和處理，除解調(diào)出返回的信息外還要完成網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

為此，仍考慮為RFID讀寫器集成微處理器和嵌入式系統(tǒng)，并選擇合適的接入技術(shù)。由于醫(yī)院范圍內(nèi)局域網(wǎng)建設(shè)已基本完善，所以系統(tǒng)選擇將RFID讀寫器接入適當(dāng)帶寬的Internet網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，使其安全標(biāo)準(zhǔn)、覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸延時、傳輸速率及傳輸質(zhì)量等符合需求。因此，可以在RFID中設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)一部分中間件的功能，進(jìn)行信號調(diào)制、狀態(tài)控制、奇偶位錯誤校驗(yàn)與修正、時序與數(shù)據(jù)格式配置等。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)中各RFID讀寫器或天線通常兼具路由功能，需頻繁進(jìn)行信息更新與維護(hù)，傳輸控制也較為復(fù)雜、功耗較高。因此，有必要針對質(zhì)量控制的需求定制RFID通信協(xié)議，以進(jìn)行無源標(biāo)簽和有源標(biāo)簽的網(wǎng)絡(luò)通信，降低能耗。如通過物理層鏈接協(xié)議，有源標(biāo)簽可以獲取無源標(biāo)簽上存儲的信息或者向無源標(biāo)簽上傳遞信息，如圖3所示。有源標(biāo)簽由IP協(xié)議簡化進(jìn)行物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，提供面向物聯(lián)網(wǎng)的，能滿足物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽交互需求的應(yīng)用，并由其轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議提供應(yīng)用層的數(shù)據(jù)匯集與轉(zhuǎn)發(fā)。

圖3 有源標(biāo)簽與無源標(biāo)簽通信

4 上位機(jī)軟件功能

我們研究的物聯(lián)網(wǎng)化管理系統(tǒng)是以租賃中心衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制為基礎(chǔ)的，因此設(shè)計(jì)上位機(jī)應(yīng)用軟件包括：（1）基本信息模塊：用于管理租賃設(shè)備基本信息，如名稱、規(guī)格型號、單價、入庫時間等；（2）租賃模塊：用于管理每臺設(shè)備的租借流水賬、計(jì)價及緊急調(diào)配等；（3）質(zhì)量控制模塊：記錄每臺設(shè)備的質(zhì)量控制情況，分為周期質(zhì)量控制、維修后質(zhì)量控制及流通過程質(zhì)量控制3部分，其中流通過程質(zhì)量控制包含定位模塊，用于獲取設(shè)備在院內(nèi)流通的實(shí)時位置狀態(tài)及質(zhì)量控制參數(shù)；（4）風(fēng)險(xiǎn)評估模塊：定期對設(shè)備質(zhì)量狀況進(jìn)行評估，包括接觸患者診斷或治療的臨床功能風(fēng)險(xiǎn)和導(dǎo)致診斷失誤的故障風(fēng)險(xiǎn)。具體功能模塊如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件功能模塊

5 應(yīng)用實(shí)例

以呼吸機(jī)為例，一旦呼吸機(jī)在流通過程中被RFID讀寫器識別，租賃中心值班人員即可通過上位機(jī)軟件查看呼吸機(jī)，包括設(shè)備基本信息，如設(shè)備名稱、規(guī)格型號、租賃編號、所在科室、租賃記錄、質(zhì)量狀況等；同時RFID系統(tǒng)將實(shí)時采集環(huán)境傳感數(shù)據(jù)，獲得其工作環(huán)境溫濕度及呼吸機(jī)氣道壓力、通氣量等質(zhì)量控制參數(shù)的動態(tài)信息；RFID讀寫器獲取到標(biāo)簽信息后再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至信息科的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由處于租賃中心的監(jiān)測平臺通過其URI獲取到所需的信息，從而完成設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控過程。其中，質(zhì)量控制信息包含上次檢定日期、結(jié)果和下次檢定日期，若有維修記錄，則還應(yīng)包含維修日期、維修信息描述及維修后檢定結(jié)果并重新設(shè)定下次檢定提醒。

6 討論

日常所謂的無線傳感網(wǎng)絡(luò)不管從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還是協(xié)議上均完全不同于物聯(lián)網(wǎng)[12]，針對的目標(biāo)亦有一定差距。無線傳感網(wǎng)主要用于監(jiān)測未知的人或事，而物聯(lián)網(wǎng)則主要針對已知的事物，因此可以說從產(chǎn)業(yè)化角度來看，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展還需要很長一段時間，現(xiàn)有敘述的應(yīng)用還只是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)構(gòu)建，不能算真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。我們的研究可以解決現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中普遍概括性的問題，針對衛(wèi)生裝備質(zhì)量控制特定應(yīng)用需求定制方案，研究物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，使其更具針對性和可操作性，并在未來實(shí)際應(yīng)用中繼續(xù)考慮網(wǎng)絡(luò)生命周期最大化及應(yīng)用成本最小化等問題，同時進(jìn)行有效、系統(tǒng)地持續(xù)調(diào)試和改進(jìn)。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中其實(shí)還可以為整合有源RFID標(biāo)簽與讀寫器功能，通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的3個基本特性：感知、傳遞及智能處理，即由物理層進(jìn)行隨時隨地的感知信息獲取，鏈路層進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠傳遞，應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚及分析處理，使得標(biāo)簽不僅完成數(shù)據(jù)的采集和耦合傳感，將數(shù)據(jù)傳至閱讀器，而且可同步實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用功能。當(dāng)然，要直接接入互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)簽還應(yīng)設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的網(wǎng)關(guān)。

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