徐仕寶

摘 要： 為了提高醫(yī)療診斷信息的監(jiān)控管理能力，提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。醫(yī)療診斷信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知層采用 IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)和IPv6 路由進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過端到端 IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息的遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)共享，以Contiki 作為操作系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中間件設(shè)計(jì)和信息處理控制器設(shè)計(jì)，基于TinyOS實(shí)現(xiàn)組件接口設(shè)計(jì)，根據(jù)GPSR 路由協(xié)議中實(shí)現(xiàn)無線客戶終端設(shè)計(jì)。在仿真軟件VanetMobiSim中實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)和仿真測(cè)試。結(jié)果表明，該系統(tǒng)進(jìn)行醫(yī)療診斷信息監(jiān)測(cè)的信息覆蓋完整度較高，提高了信息的有效檢索性能。

關(guān)鍵詞： 醫(yī)療診斷信息； 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； IPv6路由； 中間件

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）20?0049?03

Abstract： In order to improve the ability of monitoring and management for medical diagnostic information， a remote monitoring system based on wireless sensor network was proposed for medical diagnostic information. IPv6 sensor node and IPv6 routing is used for the data perception layer in the medical diagnosis information management system to carry out network design. The IP network architecture with end?to?end structure is adopted to realize remote transmission and data sharing of medical diagnosis information. Contiki is taken as the operating system to perform middleware design and information processing controller design of the monitoring system. The design of the assembly interface is realized on the basis of TinyOS. The design of radio client terminal is implemented according to GPSR routing protocol. The software development and simulation testing of the wireless remote monitoring system for medical diagnostic information were realized in the simulation software VanetMobiSim. The results show that the system has high coverage degree of information monitoring for medical diagnostic information， and has improved the information retrieval performance.

Keywords： medical diagnosis information； remote monitoring system； wireless sensor network； IPv6 routing； middleware

0 引 言

信息技術(shù)的快速發(fā)展使得計(jì)算機(jī)智能信息管理應(yīng)用越來越廣泛，通過構(gòu)建計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源信息整合和數(shù)據(jù)共享，比如物流信息管理系統(tǒng)、商品進(jìn)出口信息管理系統(tǒng)和圖書館信息管理系統(tǒng)，該類系統(tǒng)都是通過建立三層的信息管理模型，分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層，通過構(gòu)建知識(shí)庫(kù)和信息解析模型，實(shí)現(xiàn)信息檢索、資源配置和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等[1]。醫(yī)療診斷信息管理系統(tǒng)是構(gòu)建智能醫(yī)療管理體系的重要環(huán)節(jié)，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，通過構(gòu)建遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷信息監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，對(duì)方便醫(yī)院和病人進(jìn)行診斷信息管理和病情跟蹤具有重要應(yīng)用價(jià)值。本文設(shè)計(jì)的無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息管理構(gòu)架基礎(chǔ)上。首先進(jìn)行信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，構(gòu)建系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，通過模塊化開發(fā)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)構(gòu)架，進(jìn)行系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析。本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是三層體系構(gòu)架模型，分別為：應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。其中數(shù)據(jù)層是最底層，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和RFID信息標(biāo)簽技術(shù)進(jìn)行醫(yī)療診斷信息的原始數(shù)據(jù)采樣和日志庫(kù)構(gòu)建，構(gòu)建數(shù)據(jù)庫(kù)及結(jié)構(gòu)模型和醫(yī)療診斷信息的知識(shí)庫(kù)規(guī)則。數(shù)據(jù)層主要分為模型庫(kù)、知識(shí)規(guī)則庫(kù)、日志庫(kù)、仿真庫(kù)以及其他數(shù)據(jù)庫(kù)[2]，采用一種自組織、結(jié)構(gòu)開放的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建醫(yī)療診斷信息監(jiān)測(cè)的底層數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)絡(luò)采集模型。

信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中間層又稱為業(yè)務(wù)層，主要是實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息數(shù)據(jù)處理和信息挖掘功能，采用數(shù)據(jù)挖掘算法和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)信息加工。結(jié)合模型解析器和規(guī)則解析器進(jìn)行醫(yī)療診斷信息解析和分類，在仿真引擎中進(jìn)行邏輯控制和醫(yī)療診斷事件處理。設(shè)置時(shí)鐘模塊進(jìn)行醫(yī)療診斷信息采樣和數(shù)據(jù)分析，在VanetMobiSim 信息處理軟件中生成 trace 文件構(gòu)建關(guān)聯(lián)規(guī)則數(shù)據(jù)庫(kù)[3]，在應(yīng)用層中經(jīng)資源組織管理和過程監(jiān)控，對(duì)醫(yī)療診斷信息進(jìn)行邏輯控制和引擎分析，通過關(guān)鍵字command和event完成組件接口控制和輸出控制。endprint

2 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先構(gòu)建醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，采用無線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法構(gòu)建通信結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程通信和無線信息傳輸?shù)裙δ?，完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)分為三個(gè)步驟：

（1） IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。通過Contiki聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)感知單元，進(jìn)行學(xué)習(xí)系統(tǒng)任務(wù)的創(chuàng)建，根據(jù)IPv6 傳感節(jié)點(diǎn)功能創(chuàng)建可用的資源，采用時(shí)鐘振蕩器控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元件輸出醫(yī)療診斷信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信傳輸。在無線射頻模塊中，搭建6LoWPAN無線通信網(wǎng)絡(luò)終端系統(tǒng)[4]，內(nèi)置 6LoWPAN 協(xié)議棧，執(zhí)行任務(wù)的計(jì)算元件（CE′s），實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息數(shù)據(jù)采樣和信息傳輸。

（2） 無線傳感器IPv6 聯(lián)網(wǎng)地址分配。通過RFID技術(shù)構(gòu)建IPv6 無線網(wǎng)卡，選用AOSID?1709型號(hào)的閱讀器配置射頻通信模塊和射頻天線。無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的程序驅(qū)動(dòng)支持IPv4/IPv6 雙棧的傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。運(yùn)用層次化的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行醫(yī)療診斷信息的數(shù)據(jù)庫(kù)分區(qū)和網(wǎng)格調(diào)度。采用Atmel 1284P作為主芯片進(jìn)行無線傳感器IPv6 聯(lián)網(wǎng)地址分配。在確定分配任務(wù)的位置后，復(fù)制IPv6 傳感網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)集的命令，開發(fā)基于USB的IPv6網(wǎng)絡(luò)資源信息服務(wù)終端，提供給醫(yī)療終端用戶進(jìn)行信息查詢[5]。

（3） 網(wǎng)絡(luò)通信模塊的驅(qū)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行。在副本管理器中構(gòu)建網(wǎng)關(guān)和射頻模塊，實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互通。整個(gè)過程經(jīng)過 IPv6 傳感網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)訪問、通信模塊構(gòu)建、數(shù)據(jù)挖掘。使用 S3C2440作為系統(tǒng)控制核心，運(yùn)用路由器Linux內(nèi)核進(jìn)行地址空間管理[6]，在嵌入式的Linux內(nèi)核中編譯網(wǎng)絡(luò)通信模塊的驅(qū)動(dòng)程序，以數(shù)據(jù)庫(kù)訪問模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊和通信模塊三個(gè)子模塊為核心執(zhí)行驅(qū)動(dòng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

在上述進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。通過端到端 IP 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息的遠(yuǎn)程傳輸和數(shù)據(jù)共享。以Contiki作為操作系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中間件設(shè)計(jì)和信息處理控制器設(shè)計(jì)，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)。

3 軟件平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在軟件平臺(tái)開發(fā)中，基于TinyOS實(shí)現(xiàn)組件接口設(shè)計(jì)，利用Busybox的安裝腳本進(jìn)行無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工程管理應(yīng)用程序開發(fā)。在程序開發(fā)之前，調(diào)用RS 232接口與PC進(jìn)行通信，設(shè)定中斷位控制模塊和根文件系統(tǒng)，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信模塊中通過網(wǎng)關(guān)與10M/100M的以太網(wǎng)連接。以ARM920T為核心構(gòu)建總線傳輸控制線，通過VME總線或局部總線將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給RS 485網(wǎng)絡(luò)和IPv6網(wǎng)絡(luò)，采用TinyOS 2.x中自帶的匯聚協(xié)議進(jìn)行信息采集[7]，結(jié)合上述設(shè)計(jì)原理，對(duì)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的資源檢索模塊、集成控制模塊和接口模塊的軟件設(shè)計(jì)分別描述如下：

3.1 資源檢索模塊

資源檢索模塊是整個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷信息監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，資源檢索分為內(nèi)部集成主控及通信控制部分。選用AOSID?1709型號(hào)的閱讀器進(jìn)行資源結(jié)構(gòu)分區(qū)，設(shè)定RFID電子標(biāo)簽的初始狀態(tài)Flag=0，經(jīng)過IPv6傳感網(wǎng)關(guān)執(zhí)行6LoWPAN 適配層重組。通過6LoWPAN 短地址尋址功能進(jìn)行診療信息定位檢索，結(jié)合低功耗IEEE 802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行診斷信息融合，調(diào)整執(zhí)行6LoWPAN 適配層命令進(jìn)行醫(yī)療診斷信息的識(shí)別，使用GUI視圖管理工具，執(zhí)行自定義標(biāo)簽識(shí)別和塊操作等功能，標(biāo)記診療信息發(fā)送到服務(wù)端，進(jìn)行操作日志的存儲(chǔ)和緩沖區(qū)復(fù)寫。

3.2 信息處理模塊

信息處理模塊作為智能無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控模塊，實(shí)現(xiàn)診斷信息處理和集成控制功能，采用大數(shù)據(jù)分析和智能控制技術(shù)進(jìn)行事件視圖管理，采用應(yīng)用層監(jiān)控應(yīng)用軟件構(gòu)建信息處理模塊的配置系統(tǒng)。在事件監(jiān)控階段發(fā)送命令給相關(guān) I/O引腳，建立日志存儲(chǔ)任務(wù)并以監(jiān)控應(yīng)用為單位與上層組件實(shí)現(xiàn)一致性控制，完成無線醫(yī)療診斷信息的事件捕獲、應(yīng)用標(biāo)記，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)預(yù)消息包交互，并在MVB總線控制協(xié)議下進(jìn)行醫(yī)療診斷信息的分類標(biāo)示。在TinyOS 2.x中調(diào)用信息恢復(fù)程序，在應(yīng)用層捕獲應(yīng)用產(chǎn)生的事件操作，通過TaskBasic接口程序完成通信庫(kù)、協(xié)議庫(kù)、核心庫(kù)和資源庫(kù)的構(gòu)建，進(jìn)行醫(yī)療診斷監(jiān)測(cè)事件裝載和恢復(fù)。

3.3 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊是實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話和信息交互功能?；?6LoWPAN 的物聯(lián)網(wǎng)尋址構(gòu)建人機(jī)交互接口，調(diào)用runNextTask（TRUE）執(zhí)行無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口通信命令，完成相對(duì)抽象的操作。將醫(yī)療診斷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)與Web服務(wù)器實(shí)時(shí)連接，通過 Internet/Intranet和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)醫(yī)療診斷信息的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄操作[8]，采用TinyOS實(shí)現(xiàn)組件接口設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)庫(kù)及Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)醫(yī)療診斷信息共享。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析

根據(jù)GPSR 路由協(xié)議中實(shí)現(xiàn)無線客戶終端設(shè)計(jì)，在仿真軟件VanetMobiSim中實(shí)現(xiàn)無線醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)和仿真測(cè)試，測(cè)試主要分析系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連通性對(duì)醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確調(diào)度能力，對(duì)比結(jié)果如圖2、圖3所示。分析測(cè)試結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)連通性較好，醫(yī)療診斷信息傳輸?shù)恼`碼較低，具有較好遠(yuǎn)程信息監(jiān)測(cè)能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

為了提高醫(yī)療診斷信息的監(jiān)控管理能力，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療診斷信息遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，本文系統(tǒng)具有較好的無線遠(yuǎn)程通信性能，對(duì)醫(yī)療診斷信息的準(zhǔn)確傳輸、查詢和檢索能力較好。

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