卫生装备质量控制物联网化管理系统实现研究

苏秋玲，董少良，洪范宗，王 敏，郑月琼

0 引言

物联网作为当前国内外传感器技术领域的研究热点，近年来发展迅速，它利用各种信息传感设备如射频识别（radio frequency identification，RFID）、红外传感器、全球定位系统（global position system，GPS）和无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）[1-2]等与互联网结合起来，通过智能连接的网络[3]对一切事物信息进行感知，并实现“物物交流”，将信息和交流由用户端延伸至物品端。医疗物联网通过物联网技术将医疗对象智能感知与医疗业务流程进行整合，实现医疗全过程的自动化处理，它以“智慧医疗”的概念开启了物联网技术在医疗领域应用的先河，目前主要应用于病患识别、母婴管理和药品、耗材、检验标本的管理等多个领域[4]。

随着对医疗质量要求的提高，医疗设备质量水平逐渐成为制约因素之一，医疗设备的质量控制管理具有重要意义[5]，它需要有更先进、系统的医疗设备质量保障措施来应对。从医疗领域的发展来看，现代化、数字化、智能化医院的建设离不开无线化、网络化和实时化的支持；而从物联网技术的特点来看，其在无线化、网络化及实时化处理上具有独特优势，其应用不仅是简单的数字化存储和信息集成，它更多地关注医疗的全面信息化、监管的智能化和信息获取的实时化，能从全局把握影响医疗质量的关键点及薄弱处。近年来，红外、RFID等信息传感技术的出现，催生了物联网技术的快速发展，从而能为研制新一代医疗设备质量控制信息管理系统提供参考模式和实现技术[6-7]。因此，依据医院卫生装备租赁运营特点，我们研究了卫生装备质量控制物联网化管理整体方案及应用方法分析[8-9]，并在此基础上进一步研究物联网化管理系统的具体实现，关注应用系统的软硬件实现关键点及解决方案，从而促进物联网技术应用于医疗设备全寿命过程数字化、智能化及实时化的监管中。

1 系统架构

卫生装备质量控制物联网化管理系统需要同时获得医疗设备的基本信息和环境参数等，并通过无线网络传递至监控中心的上位机软件，具体应用框架如图1所示。前端RFID标签由控制模块、传感模块、存储模块、耦合模块及电源模块（可选）组成，用于卫生装备质量信息的感知和上传，所需数量一般较大，应注意成本控制；网络控制对系统起着承上启下的作用，即上传递设备的信息，下采集设备的信息，系统中是通过RFID读写器和天线设计网关进行网络调制的；监控中心通过上位机软件对接收到的设备质量控制信息进行处理，同时进行工作模式设计，以最大限度地降低能耗。

图1 卫生装备物联网应用系统框架

2 RFID标签实现

依据是否采用电源模块将标签分为有源标签与无源标签[10]。无源标签仅提供基本的被感知能力和数据存储能力，有源标签则提供感知、控制和通信的功能。对于无源标签，现有技术已基本成熟，并有了较多的成品，在卫生装备质量控制应用中可以用于实时性要求不高、非高风险类的设备管理。而有源标签，其实质就是一个嵌入式系统，需控制芯片提供传感器控制、定位处理、通信协议定制及数据处理等功能，所需的能耗会较大，因而通常需要外接电源模块支持。在此主要讨论有源标签的实现，按模块、性能需求及其能耗指标进行硬件选择。

2.1 控制模块

依据性价比要求，选择CC2431作为标签核心控制模块。CC2431是一个真正的系统芯片（SoC）[11]，符合CMOS解决方案，它在单个芯片上整合了射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（watchdog timer）、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（power on reset）、掉电检测电路（brown out detection）以及21个可编程I/O引脚。这种解决方案不仅能够满足卫生装备质量控制应用的性能需求，还能满足2.4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求，相信未来将应用于社会的多个领域。CC2431基本功能模块组成图如图2所示。

为达到资源优化配置的目的，充分利用医疗设备资源，我院开展了设备租赁业务，由设备租赁中心对一些急救设备进行“专管共用”管理。然而，设备租赁过后所能获得的信息仅限于所在科室，无法做到追踪管理，不能达到高效调配的目的。因此，通过RFID标签对设备进行定位功能配置，可以保证随时随地地追踪，保障紧急情况下设备的调配。CC2431有定位跟踪引擎，能达到系统实时定位追踪的目的，从而有效提升卫生装备紧急情况下处理的效率。

图2 CC2431功能框图

2.2 传感模块

传感模块是指标签需具备探测环境各种指数的功能（如温度、湿度和各种有害气体）和超限警报提示的能力。通过标签组网，监控中心能够实时观察到各传感器的检测数据，即可实时获得设备所处环境信息，当各种环境指标超标时则进行报警。常用数字温度传感器DS18B20、湿度传感器DT284等完成环境中温湿度的数据采集。应用中拟由集成式环境传感器进行数据采集，通过控制芯片的RXD与TXD引脚采用串行方式进行数据传送。考虑设备使用及标签的节能问题，还应通过驱动程序对传感电路工作方式、模式方面进行优化，以减少不必要的能耗。

2.3 存储模块

目前，市场上使用的RFID标签存储空间可达512 B到4 MB不等，这样的存储模块完全可以满足卫生装备质量控制数据存储的要求。

2.4 耦合模块

RFID系统耦合模块通常可以选择多个频段，不同频段有着不同的特点，UHF频段的RFID系统读取速度较快、识别距离较远，近年来得到了较快的发展，因此，我们考虑用于UHF中的耦合器。RFID标签能方便、快速地通过耦合器返回设备数据信息并由天线进入读写器的射频耦合模块。

3 网络实现

应用中的网络主要是对阅读器进行网络化设计，对其集成微处理器和微型操作系统，实现中间件功能，完成数据的无线传输，实现设备在医院流通过程中质量控制数据接力传送的适配与调节。这就要求RFID读写器对获取到的设备质量控制信息进行数字转换和处理，除解调出返回的信息外还要完成网络的互联。

为此，仍考虑为RFID读写器集成微处理器和嵌入式系统，并选择合适的接入技术。由于医院范围内局域网建设已基本完善，所以系统选择将RFID读写器接入适当带宽的Internet网络或Wi-Fi网络中，使其安全标准、覆盖范围、数据传输延时、传输速率及传输质量等符合需求。因此，可以在RFID中设计嵌入式网关，实现一部分中间件的功能，进行信号调制、状态控制、奇偶位错误校验与修正、时序与数据格式配置等。

物联网应用系统中各RFID读写器或天线通常兼具路由功能，需频繁进行信息更新与维护，传输控制也较为复杂、功耗较高。因此，有必要针对质量控制的需求定制RFID通信协议，以进行无源标签和有源标签的网络通信，降低能耗。如通过物理层链接协议，有源标签可以获取无源标签上存储的信息或者向无源标签上传递信息，如图3所示。有源标签由IP协议简化进行物理层、数据链路层和应用层的设计，提供面向物联网的，能满足物联网标签交互需求的应用，并由其转发协议提供应用层的数据汇集与转发。

图3 有源标签与无源标签通信

4 上位机软件功能

我们研究的物联网化管理系统是以租赁中心卫生装备质量控制为基础的，因此设计上位机应用软件包括：（1）基本信息模块：用于管理租赁设备基本信息，如名称、规格型号、单价、入库时间等；（2）租赁模块：用于管理每台设备的租借流水账、计价及紧急调配等；（3）质量控制模块：记录每台设备的质量控制情况，分为周期质量控制、维修后质量控制及流通过程质量控制3部分，其中流通过程质量控制包含定位模块，用于获取设备在院内流通的实时位置状态及质量控制参数；（4）风险评估模块：定期对设备质量状况进行评估，包括接触患者诊断或治疗的临床功能风险和导致诊断失误的故障风险。具体功能模块如图4所示。

图4 上位机软件功能模块

5 应用实例

以呼吸机为例，一旦呼吸机在流通过程中被RFID读写器识别，租赁中心值班人员即可通过上位机软件查看呼吸机，包括设备基本信息，如设备名称、规格型号、租赁编号、所在科室、租赁记录、质量状况等；同时RFID系统将实时采集环境传感数据，获得其工作环境温湿度及呼吸机气道压力、通气量等质量控制参数的动态信息；RFID读写器获取到标签信息后再通过无线网络传输至信息科的数据库服务器，由处于租赁中心的监测平台通过其URI获取到所需的信息，从而完成设备质量监控过程。其中，质量控制信息包含上次检定日期、结果和下次检定日期，若有维修记录，则还应包含维修日期、维修信息描述及维修后检定结果并重新设定下次检定提醒。

6 讨论

日常所谓的无线传感网络不管从网络架构还是协议上均完全不同于物联网[12]，针对的目标亦有一定差距。无线传感网主要用于监测未知的人或事，而物联网则主要针对已知的事物，因此可以说从产业化角度来看，物联网的发展还需要很长一段时间，现有叙述的应用还只是物联网的基础构建，不能算真正意义上的物联网应用。我们的研究可以解决现有物联网行业应用中普遍概括性的问题，针对卫生装备质量控制特定应用需求定制方案，研究物联网管理系统的实现，使其更具针对性和可操作性，并在未来实际应用中继续考虑网络生命周期最大化及应用成本最小化等问题，同时进行有效、系统地持续调试和改进。

该系统的实现中其实还可以为整合有源RFID标签与读写器功能，通过物理层、数据链路层及应用层的设计，实现物联网的3个基本特性：感知、传递及智能处理，即由物理层进行随时随地的感知信息获取，链路层进行数据可靠传递，应用层进行数据汇聚及分析处理，使得标签不仅完成数据的采集和耦合传感，将数据传至阅读器，而且可同步实现其网络传输应用功能。当然，要直接接入互联网的标签还应设计包括网络层和传输层的网关。

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[8] 苏秋玲，洪范宗，罗奕中，等.基于租赁中心平台的卫生装备质量控制方案设计与实现[J].医疗卫生装备，2012，33（8）：105-107.

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[10]韩磊.基于RFID电子标签技术的电力监测系统[J].电力系统通信，2008，29（8）：9-11.

[11]Chipcon A S.SmartRF®CC2430 PRELIMINARY（rev.1.01）[EB/OL].（2005-09-15）[2012-11-20].http：//www.chipcon.com.

[12]南京物联传感技术有限公司.物联网无线传感网络分析[EB/OL].（2011-12-23）[2012-11-25].http：//www.afzhan.com/Tech_news/Detail/37657.html.