基于無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)設(shè)計

龐 輝，劉 濤

(江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院航海技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226010)

0 引言

配備有各種醫(yī)療設(shè)備的醫(yī)院船誕生，為海上作業(yè)以及遠(yuǎn)航人員身體疾病的及時救治與診療做出極大貢獻(xiàn)[1]。醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)是反映其狀態(tài)信息的重要依據(jù)，對其進(jìn)行有效采集與傳輸對實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控具有重要意義[2]。受航行環(huán)境等因素的影響，醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸難以達(dá)到較好的應(yīng)用要求，不僅數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性較差，尤其是難以達(dá)到較好的遠(yuǎn)距離傳輸效果[3]。為保證醫(yī)院船與監(jiān)控服務(wù)器間的高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計滿足實時傳輸要求的醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是當(dāng)下亟待解決的問題[4]。多個節(jié)點通過無線方式連接即可完成無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，由于無線網(wǎng)絡(luò)不依靠固定設(shè)施，因此在醫(yī)院船數(shù)據(jù)通信上具有廣泛應(yīng)用[5]。

史兵麗等[6]為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，構(gòu)建了基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)，利用其對采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。但該系統(tǒng)受路由選擇影響，其吞吐量未達(dá)到理想要求；李騰等構(gòu)建的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用基于ARM 的采集終端完成監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取，利用基于ENC28160的數(shù)據(jù)通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸后，存儲于FPGA 存儲模塊中。但該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式不適用于大型船舶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸延時較大。為此，本文設(shè)計基于無線網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，保證醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)高效、實時傳輸，提高系統(tǒng)吞吐能力。

1 醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)

1.1 醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)總體框架

圖1為醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)總體框架，該系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，分別為：

圖1 醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)總體框架Fig.1 Overall framework of data acquisition and transmission system for large ship hospital equipment

基礎(chǔ)層

該層由醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備和數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集終端利用互感器、傳感器以及激光掃描技術(shù)獲取醫(yī)院設(shè)備的電壓、電流、溫濕度以及ID 號等數(shù)據(jù)。

處理層

該層可實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的抽取、清洗、去噪等。

網(wǎng)絡(luò)層

該層是實現(xiàn)大型船舶醫(yī)院設(shè)備數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵，由無線自組網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)、路由器構(gòu)成，邊界路由器的作用是實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與ZigBee、Wi-Fi 的互聯(lián)，將防火墻部署在互聯(lián)節(jié)點上，可保證醫(yī)院設(shè)備數(shù)據(jù)的安全傳輸。

用戶層

該層由客戶端服務(wù)器構(gòu)成，具有醫(yī)療設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、日志管理與分析、數(shù)據(jù)查詢、分析與存儲等功能。

1.2 數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計

醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集是更好實現(xiàn)后續(xù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等功能的前提。數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖2所示。醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備ID號等數(shù)據(jù)通過條碼掃描檢測單元進(jìn)行采集，其電壓、電流信號分別通過電壓、電流互感器采集，其溫度、濕度信號則利用傳感器獲取，上述采集信號需利用放大濾波電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理，以滿足A/D轉(zhuǎn)換器輸入所需的低電壓要求，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器完成所有采集信號的測量后，將其發(fā)送給單片機(jī)，由其完成醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備ID號、電壓、電流、溫度、濕度等數(shù)據(jù)的打包處理，并將數(shù)據(jù)包傳輸給無線傳送單元，利用其將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理層。

1.3 無線自組網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層無線自組網(wǎng)絡(luò)是醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)核心，是在IEEE802.11s無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)上設(shè)計而成的AdHoc 網(wǎng)絡(luò)。該無線網(wǎng)絡(luò)具有無中心性，有別于星型或總線型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為網(wǎng)狀型。無線自組網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線自組網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of wireless ad hoc network

1.3.2 全功能控制器設(shè)計

在無線自組網(wǎng)絡(luò)中，以C8051F020單片機(jī)為全功能控制器，不僅可使該控制器具備更好的穩(wěn)定性及控制效率，也可保證和指令集相支持。單片機(jī)中配置了8位A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過其可實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)模擬信號的獲取，最高采樣速率為550 kb/s，最大帶寬為64 kHz。圖4為A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作原理圖。

圖4 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理圖Fig.4 Working principle diagram of A/D analog-to-digital converter

1.4 基于MinACK 的路由算法

網(wǎng)絡(luò)層的路由器模塊采用基于MinACK 的路由算法實現(xiàn)醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸，以提升系統(tǒng)吞吐量。其具體過程為：

1)確認(rèn)下一跳節(jié)點。

2)確定編碼解碼策略。設(shè)定S為源節(jié)點，由其對待發(fā)送數(shù)據(jù)包進(jìn)行等分處理，獲得同樣大小數(shù)據(jù)段，其中包含數(shù)據(jù)包數(shù)量為K，分別對各數(shù)據(jù)段作線性編碼后，獲得的編碼包數(shù)量一定不低于K。對于一數(shù)據(jù)段，可通過Pi(i=1,2,···,K)表示原始包，通過對其線性編碼生成編碼包，PCj為其第j個編碼包，可通過獲得，其中系數(shù)表示為c ji，其值可在伽羅華域GF28中任意選擇。S利用競爭到的信道完成編碼包傳輸后，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點獲取該編碼包，并對其作重新編碼，即

其中：ti為 系數(shù)。由式(1)得出，編碼包與原始包Pi仍保持線性關(guān)系。編碼后傳輸?shù)侥康墓?jié)點后，采用下式對其進(jìn)行解碼：

式中：發(fā)送到目的節(jié)點的編碼包表示為PCi′，與其對應(yīng)的向量表示為=(ci1,···,ciK)，對其作高斯消元便可獲得Pi。

3)確認(rèn)節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)送量。編碼包傳輸至中繼節(jié)點后，將執(zhí)行重新編碼操作，并轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳節(jié)點。為避免編碼包的重復(fù)傳輸，采取如下操作：

在源節(jié)點僅有一個數(shù)據(jù)包需要傳輸?shù)那闆r下，編碼包由u至v的丟包率通過puv表示，中繼節(jié)點u傳輸編碼包的次數(shù)通過nu表 示，編碼包傳輸至節(jié)點v的次數(shù)通過下式進(jìn)行確定：

式中：當(dāng)ETX(u)高 于ETX(v)值 時，即表示為u>v，說明u是 節(jié)點v的上一跳節(jié)點，計算u的所有下一跳節(jié)點至目標(biāo)節(jié)點的ETX值，并按由低到高順序排列，具有最小ETX的中繼節(jié)點擁有編碼包優(yōu)先傳輸權(quán)。原因在于具有最小ETX的節(jié)點距離目標(biāo)節(jié)點更近，編碼包成功傳輸?shù)母怕矢蟆７粗?，?dāng)最小ETX的節(jié)點未成功收到編碼包時，其他下一跳節(jié)點方有轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)會，用表示節(jié)點傳輸編碼包的概率。

4)發(fā)送ACK 確認(rèn)包。對于中繼節(jié)點i，當(dāng)其傳輸?shù)木幋a包成功傳輸至下一跳節(jié)點，則將ACK 確認(rèn)信息傳輸給上一跳節(jié)點。上一跳節(jié)點確認(rèn)ACK 后，即將存儲于緩存中的此數(shù)據(jù)段編碼全部予以剔除，并執(zhí)行下一數(shù)據(jù)段的傳輸任務(wù)。ACK 數(shù)據(jù)包由3部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點ID用于描述傳輸ACK 數(shù)據(jù)包的節(jié)點序號；其上一跳節(jié)點的序號列表通過接收節(jié)點ID 列表描述；數(shù)據(jù)段ID則是對已成功接收數(shù)據(jù)段的標(biāo)記，提示節(jié)點可做刪除處理。

2 實驗結(jié)果分析

以某醫(yī)院船上的呼吸機(jī)、監(jiān)護(hù)儀設(shè)備為研究對象，利用Matlab軟件工具對數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搭建，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泻械墓?jié)點總數(shù)為10，數(shù)據(jù)傳輸信道總數(shù)為4，其中一條為控制信道，其余均為數(shù)據(jù)傳輸信道，假設(shè)只有相鄰節(jié)點間可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用本文系統(tǒng)對2022年7月3日-5日2種設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，設(shè)定設(shè)備的日運行時間為6h，數(shù)據(jù)采集周期為5min，數(shù)據(jù)采集后完成數(shù)據(jù)的傳輸，驗證本文系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

以呼吸機(jī)設(shè)備為例，采用本文系統(tǒng)對各采樣點設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，部分?jǐn)?shù)據(jù)采集結(jié)果如表1所示。分析可知，采用本文系統(tǒng)對醫(yī)院船呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可獲取能夠反映其運行狀態(tài)的功率數(shù)據(jù)，其中前7個數(shù)據(jù)為待機(jī)模式下的呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)，其余為運行中的呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，可將其應(yīng)用于醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集中。

表1 呼吸機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集結(jié)果Tab.1 Data collection results of ventilator equipment

采用本文系統(tǒng)對呼吸機(jī)設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并與文獻(xiàn)[6]的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文獻(xiàn)[7]的基于ARM 系統(tǒng)進(jìn)行對比，設(shè)定傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包總量為600，各數(shù)據(jù)段中所含數(shù)據(jù)包數(shù)量K在[10,80]區(qū)間取值，在不同K取值下，以上3 個系統(tǒng)的吞吐量變化結(jié)果如圖5所示。分析可知，在對呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸過程中，不同K取值會對系統(tǒng)吞吐量產(chǎn)生直接影響。本文系統(tǒng)及文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)均隨其值的不斷增大，系統(tǒng)吞吐量呈逐漸上升趨勢變化，在K達(dá)到40時前，系統(tǒng)吞吐量值上升幅度較大，繼續(xù)增大數(shù)據(jù)包傳輸量，系統(tǒng)吞吐量變大幅度減弱，逐漸趨于穩(wěn)定。K值一定情況下，本文系統(tǒng)吞吐量始終高于文獻(xiàn)系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸能力突出，優(yōu)于文獻(xiàn)系統(tǒng)。

圖5 本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能分析結(jié)果Fig.5 Analysis resultsof system data transmission performance in this paper

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量可通過接收信號強(qiáng)度進(jìn)行體現(xiàn)，系統(tǒng)接收信號強(qiáng)度值一般為負(fù)數(shù)，當(dāng)其值無限貼近于0，說明系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量越好，但最小信號強(qiáng)度不得低于?50 dBm。將三種頻帶干擾加入到數(shù)據(jù)傳輸過程，分別為B，C，D頻帶干擾，在各種干擾情況下，通過對不同信號粒子數(shù)量的信號強(qiáng)度變化進(jìn)行測試，驗證本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能，實驗結(jié)果如圖6所示。分析可知，不同頻帶干擾對系統(tǒng)接收信號強(qiáng)度的影響存在一定差異，B頻帶干擾下，不同信號粒子數(shù)量下的系統(tǒng)信號強(qiáng)度值變化趨勢較為穩(wěn)定，信號強(qiáng)度值最大，在(?18，?10)dBm 區(qū)間變化；當(dāng)利用C頻帶干擾對數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行擾動時，系統(tǒng)接收信號強(qiáng)度低于B頻帶干擾情況，其值于(?30，?18)dBm 區(qū)間變化；將D頻帶干擾加入到數(shù)據(jù)傳輸過程，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能影響最大，此時信號強(qiáng)度最弱，在?41 dBm~?23 dBm 范圍變化。3種頻帶擾動雖對本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸性能有不同影響，但均滿足數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量要求。因此，本文系統(tǒng)可實現(xiàn)醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)的高質(zhì)量傳輸。

圖6 頻帶干擾下的系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸性能分析Fig.6 System data transmission performanceanalysis under frequency band interference

3 結(jié) 語

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某醫(yī)院船醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸中，通過分析呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)采集結(jié)果、與文獻(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)吞吐量比較結(jié)果、接入不同頻帶干擾下的接收信號強(qiáng)度的變化等驗證本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)可完成呼吸機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)的獲??；K為40時，本文系統(tǒng)吞吐量即可達(dá)到較高水平；B頻帶干擾對傳輸信號強(qiáng)度影響最小、D頻帶干擾影響最大。