淺談醫(yī)院物聯(lián)網(wǎng)工程的實施

陳 磊，周 敏，傅許彥

（浙江大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 附屬第一醫(yī)院信息中心，浙江 杭州310003）

1 項目背景

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院(浙江省第一醫(yī)院)系三級甲等綜合性醫(yī)院，是浙江省醫(yī)療、教學(xué)、科研指導(dǎo)中心之一。醫(yī)院現(xiàn)有職工3 780余人，其中高級職稱醫(yī)護(hù)專家430余人，有中國工程院院士2名、長江特聘教授2名、長江講座教授2名、“千人計劃”1名，國家杰出基金獲得者2名，求是特聘教授2名，占地面積150余畝，分為慶春、城站、大學(xué)路和良渚四個院區(qū)，核定床位2 500張。

醫(yī)院設(shè)有傳染病診治國家重點實驗室、衛(wèi)生部多器官聯(lián)合移植研究重點實驗室、國家中醫(yī)藥科研三級實驗室（分子生物學(xué)、腎病、血液）等國家級實驗室，以及浙江省的40余個重點實驗室。近年來，醫(yī)院積極探索公立醫(yī)院改革之路借助主持的 “十一五”重大科技攻關(guān)項目——“國家數(shù)字衛(wèi)生關(guān)鍵技術(shù)和區(qū)域示范應(yīng)用研究”，構(gòu)建“省、縣（區(qū)）、鄉(xiāng)三級醫(yī)療服務(wù)網(wǎng)絡(luò)”，成功使優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源垂直延伸到基層。目前，醫(yī)院已擁有1家托管醫(yī)院、3家合作醫(yī)院、89家協(xié)作醫(yī)院及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單位和1家對口基層醫(yī)院，提供了上萬次的遠(yuǎn)程會診服務(wù)。

醫(yī)院敷設(shè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于藥品管理、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和護(hù)理、輸液管理、移動護(hù)理、醫(yī)生電子病歷移動醫(yī)療、消毒供應(yīng)中心質(zhì)量追溯系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備的跟蹤與管理、醫(yī)療垃圾的處理、醫(yī)療手術(shù)中的跟蹤監(jiān)控、血液制品的管理與監(jiān)控、病人的定位跟蹤及管理、醫(yī)院感染控制等各方面涉及醫(yī)療安全的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

本項目工程主要覆蓋醫(yī)院本部1、2、3、5、6、7、9、10號樓及入院服務(wù)中心等樓的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

2 基本概念

2.1 物聯(lián)網(wǎng)的概念

所謂“物聯(lián)網(wǎng)”，即是指利用條碼、射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，完成任何物品間在任何時間、任何地點的連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-2]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

在醫(yī)療領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)在條碼化病人身份管理、移動醫(yī)囑、診療體征錄入、藥物管理、檢驗標(biāo)本管理、病案管理數(shù)據(jù)保存及調(diào)用、護(hù)理流程、臨床路徑、傳染病感染等管理中，均能發(fā)揮重要作用[3]。例如：通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以將消毒器械包和手術(shù)器械包的名稱、品種、批次及清洗、滅菌、存儲、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)的有關(guān)時間、操作員、各種儀器的運作狀態(tài)等信息，都存于電子標(biāo)簽中，當(dāng)出現(xiàn)問題時可以追溯整個消毒清洗過程。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)工程的實施

本物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)工程項目需要實現(xiàn)我院1、2、3、5、6、7、9、10號樓、入院服務(wù)中心等樓的全方位物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。無線網(wǎng)絡(luò)解決方案基于802.11a/b/g傳輸標(biāo)準(zhǔn)，采取無線控制器加瘦AP的架構(gòu)，所有AP都通過無線控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過不同的服務(wù)集標(biāo)識來定義各種結(jié)構(gòu)。采用的物聯(lián)網(wǎng)無線設(shè)備為：物聯(lián)網(wǎng)控制器WNAC9505-2臺，做雙機(jī)熱備。物聯(lián)網(wǎng)AP：WNDAP350-ER-258臺，WNDAP356-316臺。POE物聯(lián)網(wǎng)供電交換機(jī)：GA724TP-55臺。對于物聯(lián)網(wǎng)AP布線要求，由于物聯(lián)網(wǎng)AP集成了無線網(wǎng)（WIFI）與傳感網(wǎng)（RFID）功能，所以每個AP需要兩根網(wǎng)絡(luò)線，分別用于傳輸無線網(wǎng)與傳感網(wǎng)。

3.1 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計

該無線網(wǎng)絡(luò)的主要目的是通過真實的使用環(huán)境和實際效果，來滿足和保證未來醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和資源有良好的使用感受。未來無線移動網(wǎng)絡(luò)在醫(yī)院病區(qū)的實際效果主要是應(yīng)用于病區(qū)移動查房、移動護(hù)理、質(zhì)量追溯、輸液管理、病區(qū)訂餐、心電數(shù)據(jù)回傳、物聯(lián)網(wǎng)等功能。作為有線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的補(bǔ)充方式，在每個區(qū)域使用的移動終端個數(shù)將在10～15個左右。如圖1所示。

3.1.1 WLAN AP部署設(shè)計

該項目總共有582個物聯(lián)網(wǎng)AP。按照一棟大樓的WLAN AP部署方法，即要根據(jù)建筑樓層房間的分布基本一致性，充分利用無線信號對單體墻壁和天花板的信號穿透性，將WLAN AP交叉擺放，這樣可以充分利用上、下層AP穿越樓板的信號，以起到上下、左右間無線信號的互補(bǔ)和利用；既節(jié)省了WLAN建設(shè)成本，也最大化地有利于信號的充分覆蓋和利用。

以6號樓B區(qū)的一層為例，根據(jù)建筑自身特點，為了保證每個房間的信號有效覆蓋，共部署了6個AP，以802.11a/n和g/n覆蓋區(qū)域信號最強(qiáng)化為目標(biāo)，只有信號足夠強(qiáng)，無線高速率才有保證。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計拓?fù)鋱D

在每個樓層的井道內(nèi)，放置一臺NETGEAR GS724TP千兆802.3af POE交換機(jī)，提供6臺AP以太網(wǎng)線遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)的傳輸；GS724TP的一個千兆端口通過以太網(wǎng)線上連至有線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)。

3.1.2 無線信道及漫游規(guī)劃

雖然2.4 GHz～2.483 GHz之間的802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線頻點有13個，但由于設(shè)計為相互重疊，所以只有3個不重疊頻點(一般設(shè)計工作在1、6、11這3個完全不重疊的頻點)，這樣使得頻點配置工程十分必要。合理地進(jìn)行信道規(guī)劃，降低同頻干擾，同時樓層之間的泄漏信號干擾也要考慮在內(nèi)。信道采用手動靜態(tài)設(shè)置。如圖2所示。

圖2 無線信道及漫游規(guī)劃

漫游需求的規(guī)劃一是要確定漫游的范圍，二是要確保覆蓋范圍內(nèi)無線信號的無縫覆蓋。

3.1.3 無線發(fā)射功率自動選擇及覆蓋故障自動修復(fù)

AP在默認(rèn)情況下，會按照相鄰AP的發(fā)射功率自動調(diào)節(jié)自身的發(fā)射功率，使之能實現(xiàn)相鄰AP間的全覆蓋。當(dāng)其中1個AP發(fā)生故障不能正常工作時，與之相鄰的AP就會自動增強(qiáng)發(fā)射功能，從而彌補(bǔ)因為AP故障而導(dǎo)致的覆蓋缺失。

3.2 實施方案

3.2.1 物聯(lián)網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了方便網(wǎng)絡(luò)管理、減輕有線網(wǎng)絡(luò)承載負(fù)擔(dān)，也為了避免當(dāng)無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時累及有線網(wǎng)絡(luò)，有線網(wǎng)絡(luò)的匯聚交換與物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的匯聚交換機(jī)實現(xiàn)物理隔離。即有線網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)各自單獨使用匯聚交換機(jī)，通過各自的匯聚交換機(jī)再與醫(yī)院的有線核心交換機(jī)相連。

整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

3.2.2 IP地址的規(guī)劃

AP的管理IP地址及RFID傳感網(wǎng)的管理IP地址在網(wǎng)絡(luò)中添加新的網(wǎng)段，按照網(wǎng)絡(luò)的IP規(guī)劃來給AP及RFID分配IP。保證AP及RFID獲取到的IP地址與AC、RFID獲取到的IP地址與AC、RFID服務(wù)器之間能夠三層可達(dá)。為了方便管理及安全考慮，采用固定IP地址的方式實現(xiàn)AC與AP、RFID與RFID服務(wù)器之間的三層部署。一幢樓啟用一個全新的VLAN。

客戶端接入端IP規(guī)劃：每幢樓為一個接入單元，采用同一個SSID實現(xiàn)三層漫游，并采用動態(tài)IP分配方式。

3.3 無線與RFID安全接入規(guī)劃

為了保證無線的安全接入，采用目前較為流行的MAC認(rèn)證與WPA2認(rèn)證結(jié)合的方式來確保無線網(wǎng)和傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3.1 MAC認(rèn)證方式

MAC地址認(rèn)證是一種基于端口和MAC地址對用戶訪問網(wǎng)絡(luò)的權(quán)限進(jìn)行控制的認(rèn)證方法，它不需要用戶安裝任何客戶端軟件，AC控制器在首次監(jiān)測到用戶的MAC地址以后，即啟動對該用戶的認(rèn)證操作。在控制器上設(shè)置白名單，把允許進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的合法用戶列入名單中，而一旦發(fā)現(xiàn)有可疑的非法用戶，則將其列入黑名單。

3.3.2 WPA2認(rèn)證方式

無線數(shù)據(jù)的加密采用WPA2安全架構(gòu)的AES-CCMP（高級加密標(biāo)準(zhǔn)-計數(shù)器模式密碼區(qū)塊鏈接消息身份驗證代碼協(xié)議）。CCMP采用AES加密模塊，AES既可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的機(jī)密性(加密)，又可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性。這是在IEEE802.11i標(biāo)準(zhǔn)中指定的用于無線傳輸隱私保護(hù)的一個新辦法。AES-CCMP是面向大眾的最高級無線安全協(xié)議?？傮w來說，CCMP提供了加密、認(rèn)證、完整性檢查和重放保護(hù)四重功能。CCMP使用128位AES加密算法實現(xiàn)機(jī)密性，使用其他CCMP協(xié)議組件實現(xiàn)其余3種服務(wù)。CCMP基于CCM方式，該方式使用了AES加密 算法，所以AES-CCMP加密協(xié)議也稱AES-CCM加密協(xié)議。從名稱可以看出，CCM配備了兩種運算模式，即計數(shù)器模式和密碼區(qū)塊鏈信息認(rèn)證模式，其中計數(shù)器模式用于數(shù)據(jù)流的加密/解密，而密碼區(qū)塊鏈信息認(rèn)證碼模式用于身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)完整性校驗。CCM保護(hù)MPDU數(shù)據(jù)和IEEE802.11 MPDU幀頭部分域的完整性。AES定義在FIPS PUB197,所有在CCMP中用到的AES處理都使用一個128位的密鑰和一個128位大小的數(shù)據(jù)塊；CCM方式定義在RFC3610。CCM是一種通用模式，可以用于任意面向塊的加密算法。

加密和認(rèn)證可以相互結(jié)合，整體保證無線接入的安全性。

3.3.3 RFID安全性規(guī)劃

因為RFID采用UDP發(fā)包方式，而且RFID芯片本身也具有加密功能，所以安全性得以保障。

認(rèn)證的流程可以分為以下幾個步驟：

(1)應(yīng)用程序通過RFID讀寫器向RFID電子標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證請求；

圖3 物聯(lián)網(wǎng)整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

(2)RFID電子標(biāo)簽收到請求后向讀寫器發(fā)送一個隨機(jī)數(shù)B；

(3)讀寫器收到隨機(jī)數(shù)B后，向RFID電子標(biāo)簽發(fā)送使用要驗證的密鑰加密B的數(shù)據(jù)包，其中包含了讀寫器生成的另一個隨機(jī)數(shù)A；

(4)RFID電子標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)包后，使用芯片內(nèi)部存儲的密鑰進(jìn)行解密，解出隨機(jī)數(shù)B并校驗與之發(fā)出的隨機(jī)數(shù)B是否一致；

(5)如果一致，則RFID使用芯片內(nèi)部存儲的密鑰對A進(jìn)行加密并發(fā)送給讀寫器；

(6)讀寫器收到此數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解密，解出A并與前述的A比較是否一致。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用一直備受國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。本文詳細(xì)討論了物聯(lián)網(wǎng)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)架構(gòu)——物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)工程的構(gòu)建，及在我院的一個實施情況，借此能給兄弟醫(yī)院提供一個有益的參考。

[1]馮杰，郗家貞.對物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)的探究[J].信息與電腦，2010(8)：87.

[2]李航，陳后金.物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].中國科技論壇，2011(1)：81-85.

[3]俞磊，陸陽，朱曉玲，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2012，29(1)：1-7.