物聯(lián)網智能輸液系統(tǒng)的網絡設計

李東樹 郭滿 劉昶甫 于本成

摘要：物聯(lián)網智能輸液系統(tǒng)利用無線網絡、條碼、無線傳感器、數(shù)據挖掘、VoIP等技術，實現(xiàn)醫(yī)院輸液的自動化、可視化監(jiān)控和報警。解決人員效率、輸液安全、信息共享、通訊質量、準確性控制、輸液經驗等關鍵問題。在患者、藥品、醫(yī)務人員之間建立輸液虛擬空間，構建新型的患者通信人性化系統(tǒng)。

關鍵詞：智能化;物聯(lián)網;無線網絡;人性化

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）13-0060-02

1序言

物聯(lián)網智能輸液系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)主要基于病院已有網絡拓撲來完成網絡搭建，服務器傳送采用無線的模式，數(shù)據傳送則使采用醫(yī)院原有網絡設備。系統(tǒng)構建采用星型結構，為了防止中心網絡出現(xiàn)問題，中心網絡采納兩個節(jié)點保障網絡可靠性，并使中心具有占領機制，保證中心的自我修復功能。

智能化物聯(lián)網輸液系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)將升級改造現(xiàn)有的網絡。結合無線傳感器網絡、異構網絡集成技術和無線局域網，實現(xiàn)了對異構無線網絡的統(tǒng)一接人，為系統(tǒng)的順利實現(xiàn)提供了基本的網絡服務嘲。

2智能輸液網絡感知系統(tǒng)設計

基于ZigBee無線自組織網絡模式的智能輸液網絡狀態(tài)感知系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)由三部分組成：智能輸液狀態(tài)網絡傳感器（采集節(jié)點）、無線中繼節(jié)點和網關節(jié)點。根據應用環(huán)境的特點，將整個區(qū)域劃分為幾個無線自組織網絡。采集節(jié)點實時采集輸液過程中的狀態(tài)信息，通過中繼節(jié)點將輸液信息傳輸?shù)骄W關節(jié)點，網絡節(jié)點通過以太網轉發(fā)給上位機服務器。服務器負責處理接收到的信息并反饋必要的信息。為了保證系統(tǒng)的可靠性，網關節(jié)點采用雙節(jié)點冗余結構。網關節(jié)點通過網絡連接到服務器。正常情況下，主網絡節(jié)點處于活動狀態(tài)，備份網關節(jié)點處于克隆狀態(tài)，監(jiān)聽主網絡節(jié)點的傳輸嘲。備份節(jié)點也接收數(shù)據，但不處理數(shù)據。當主節(jié)點發(fā)生故障時，它可以立即接管處理包。

2.1智能輸液狀態(tài)網絡感知儀

基于ZigBee的無線傳感器網絡將設置在病房區(qū)或輸液大廳。無線傳感器網絡由智能輸液監(jiān)護儀（采集節(jié)點）、ZigBee中繼節(jié)點和ZigBee網關節(jié)點組成。輸液數(shù)據主要采集節(jié)點采集輸液過程信息（輸液規(guī)格、剩余質量、剩余時間等），然后通過ZigBee中繼節(jié)點采集數(shù)據。隨后集合到ZigBee網關節(jié)點，網關節(jié)點可以直接訪問醫(yī)院現(xiàn)有的有線網絡，并將數(shù)據轉發(fā)給服務器，完成數(shù)據的后續(xù)處理和分發(fā)?？紤]到醫(yī)院基礎網絡現(xiàn)代化水平不統(tǒng)一，有的醫(yī)院部署了覆蓋醫(yī)院的無線局域網，有的醫(yī)院沒有部署無線局域網，或者部署范圍小。根據需要，在醫(yī)院病房區(qū)或輸液大廳部署WIFI熱點，護士可通過手持智能終端接收服務器發(fā)送的病人輸液等調度任務。在換液即將結束時，服務器通過WIFI將拔針任務調度發(fā)送到護士手持終端，護士之間也可以通過WIFI進行通信。智能輸液和呼叫中心服務器通過醫(yī)院基礎網絡和HIS系統(tǒng)連接。HIS系統(tǒng)的數(shù)據可以通過數(shù)據庫耦合從HIS系統(tǒng)的數(shù)據庫視圖中獲取，從而提供系統(tǒng)的服務范圍和能力。具有相應權限的用戶可以通過醫(yī)院內部或外部網絡連接到中心服務器，查詢輸液相關信息，如病人輸液狀態(tài)信息、護士工作量信息、輸液倉庫信息等。中心服務器還可以根據系統(tǒng)配置將相關信息推送到特定用戶。結構如圖1所示。

2.2無線中繼節(jié)點

每個無線自組織網絡由若干采集節(jié)點、若干中繼節(jié)點和一個網關節(jié)點組成。為了優(yōu)化無線網絡的性能，需要合理地配置路由節(jié)點和網關節(jié)點。采集節(jié)點實時采集輸液信息，通過中繼節(jié)點轉發(fā)給網關節(jié)點，網關節(jié)點通過以太網轉發(fā)給上位機服務器。服務器負責處理接收到的信息并反饋必要的信息。系統(tǒng)結構如圖2所示。

2.3無線傳感網絡

根據輸液應用環(huán)境特點，對無線傳感器網絡部署要求進行分析：采集節(jié)點在輸液大廳或輸液病房是一種集中式均勻分布方式;節(jié)點密度較大且需要有較好的連通性，且需要網絡保證覆蓋范圍;節(jié)點只要架設完畢，就既不需要變動，也不需要人工配置網絡;采集節(jié)點采用電池供電的工作方式，要求能量消耗少，能勝任長期監(jiān)測任務。

本次采用分布式星型結構，中心節(jié)點若采用單一節(jié)點，會降低整個系統(tǒng)的可靠性，若出現(xiàn)單點阻礙，會讓正整個系統(tǒng)癱瘓，為此設計冗余中心節(jié)點協(xié)議，通過冗余結構保證系統(tǒng)的可靠性。

在基本拓撲結構中，基于鏈的線性網絡協(xié)議相對淺顯，健壯性略弱，當其中一個節(jié)點損壞會導致單條鏈路的數(shù)據轉發(fā)產生異常;基于網的平面網絡，雖然連通性好、網絡健康，但是這類網絡結構存在效率差的缺陷;基于簇的分層網絡，不僅具備網的平面網絡的好處，同時還具有分布式協(xié)同處理和數(shù)據網絡等優(yōu)勢。根據對輸液監(jiān)護應用場景的分析，系統(tǒng)更適合采用基于簇的分層網絡，在保障網絡健壯性的同時，降低網絡的復雜度。

2.4網關節(jié)點

輸液節(jié)點是對病人監(jiān)護的關鍵點，但由于各種意外情況（斷電、傾塌，通訊中斷等）的出現(xiàn)，可能導致輸液過程中的安全性問題。為了保障系統(tǒng)的可靠性，網關節(jié)點采用雙節(jié)點冗余結構，網關節(jié)點使用網絡與服務器相連接，一般情況下，主網關節(jié)點處于激活狀態(tài)，備份網關節(jié)點處于克隆狀態(tài)，偵聽主網關節(jié)點的傳輸情況㈣。備份節(jié)點也接收數(shù)據，但不處理數(shù)據，當主節(jié)點出現(xiàn)故障時，可以立即接管處理數(shù)據包，設計的防意外處理方法要切實有效的保證輸液節(jié)點在意外出現(xiàn)時，能夠快速恢復或者報警通知。節(jié)點冗余結構如圖3所示。

輸液節(jié)點的主從關系首先通過比較優(yōu)先級獲得，優(yōu)先級默認為1，管理員可以自行修改，當優(yōu)先級一致時，比較計算機的MAC地址，最終確立主從關系。為了使協(xié)商過程可以有效進行，通過計算機串口心跳線作為傳輸媒介。如圖4所示。

對于功能不單一的設備的最佳解決方法是使用有限狀態(tài)機，這種方式可以使協(xié)議方知道當前自己所處的狀態(tài)，通過狀態(tài)判斷當前的任務。輸液中心節(jié)點包括Init、2-Way、Wait、Er-r叫、Confirm、Clone和Active狀態(tài)。選舉過后處于Active狀態(tài)的中心節(jié)點為工作節(jié)點，處于Clone狀態(tài)的中心節(jié)點僅接收信息而不處理信息。這種冗余的方式可以增加現(xiàn)有網絡的可靠性。

3總結

結合異構網絡集成技術，完成了異構無線網絡的統(tǒng)一接入，為系統(tǒng)的順利完成帶來了基本的網絡服務。采用了ZigBee無線傳感器網絡，它由智能輸液監(jiān)測采集節(jié)點、ZigBee中繼節(jié)點和ZigBee網關節(jié)點組成。對于無線傳感器網絡的部署，采用分布式星形結構來保證網絡的健壯性，降低網絡的復雜度。網關節(jié)點采用雙節(jié)點冗余結構㈣。在緊急情況下，備份節(jié)點可以立即接管處理數(shù)據包，防止輸液節(jié)點發(fā)生意外。