基于WSN与RFID的住院患者体温采集系统的研究

陈妮妮 张环 耿永杰

摘 要：目前，我国大多数医院对于住院患者的体温采集仍采用传统的人工测量与录入，传统的体温采集方式存在测量误差大，反馈不及时，医护人员工作量大等弊端。随着现代医疗技术的发展和物联网建设的推进，医疗设备的智能化、信息化、自动化成为了迫切需求。因此，为了解决上述弊端，该文提出了基于WSN与RFID技术的住院患者体温采集系统，并进一步阐述了WSN与RFID技术融合的网络结构，然后对二者融合后的防碰撞算法进行了重点研究与论述，最终通过MATLAB仿真实验得出结论。

关键词：RFID 无线传感器网络 ALOHA算法 MATLAB

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（c）-0248-02

随着临床信息系统（CIS）与电子病历的发展与应用，大量医疗文书从纸质文档转为电子文档。然而，目前大多数医院中，护理人员对患者的体温采集方式仍停留在手工录入的阶段，护士需要对患者的体温测量后需要通过手工记录后再录入计算机，导致信息反馈不及时。另外，护士需要每天往返于病房对患者进行多次测量及录入，极大的浪费了劳动力。手工抄录难免会产生错抄漏抄、字迹不清等现象，从而影响患者体温记录的准确性。在这种背景下，智能化的体温采集系统的开发对于解决上述问题和促进现代医疗科技发展具有重要意义。

1 RFID与WSN网络的融合

无线射频识别技术（RFID），是一种非接触式自动识别技术[1]，但是这种技术不能主动采集有关物体的其它信息，并且不具备组网通信的能力。无线传感器网络技术（WSN）是由传感器节点通过无线通信方式形成的自组织网络系统，可以实现数据的采集和传输[2]，但是不具备识别物体身份的能力。二者在技术上的互补性使得它们的融合展现出很大优势。

RFID与WSN的融合方式有多种，该系统采用将RFID阅读器与WSN传感器节点进行融合的方案。在融合后的网络里存在3种设备：集成WSN传感器节点的智能阅读器，普通的RFID诊疗卡以及协调器。

2 无线传感器网络防碰撞算法

在该系统中，护理人员对患者的体温采集通常需要在规定的某一段时间内完成，因此，很可能会出现数据包拥塞的现象。为了解决碰撞问题，该系统采用RFID通信中的ALOHA防碰撞算法来解决。ALOHA算法主要有纯ALOHA算法，时隙ALOHA算法。该文将运用MATLAB软件对这2种算法进行仿真实验，并最终得出结论。

2.1 纯ALOHA算法

ALOHA算法是一种无规则的时分多路的多路存取方法[3]。在无线传感器网络中，若节点在一段时间内单独发送数据，则数据包不会产生冲突。若是多个数据包在同一段时间内占用信道，则数据包就会发生碰撞。图1是纯ALOHA算法的示意图。

在数据通信中，吞吐率S是单位时间内成功完成通信的次数。输入负载G为平均交换的数据包量，可用如下关系式表示：

（1）

上式中，n代表节点的个数，rn代表节点n在时间T内发送数据包的数量。在通信时间T内，无错误传输的数据包数量的概率P（k）可以表示为：

（2）

在T=2τ时间内无其他节点响应表示没有发生数据碰撞，其概率可以表示为如下关系式：

（3）

ALOHA算法的吞吐率S表达式为：

（4）

将式（4）对G求导，可以得出在G取值为0.5时，吞吐率S达到最大，S约为18.4%。

2.2 时隙ALOHA算法

时隙ALOHA算法是将时间域划分为多个等长的时隙，规定数据只能在时隙开始时才能传送[4]。时隙ALOHA算法示意图如图2所示。

时隙ALOHA算法使得数据包要么成功发送，要么完全碰撞，这样发生碰撞的时长就由纯ALOHA算法中的2τ缩短为τ，可以得出在T=τ的通信时间内无其他标签响应的概率为：

（5）

时隙ALOHA算法的吞吐率S表达式如下：

（6）

将式（6）对G求导可得：当平均数据包交换量G=1时，吞吐率 S 达到最大值，约为36.8%。

3 仿真实验与结果

该文利用MATLAB7.0仿真软件对纯ALOHA算法和时隙ALOHA算法进行仿真比较。

分析比较图3不难看出：纯ALOHA算法中，当G=0.5时，吞吐率S达到最大值，而时隙ALOHA算法中，当G=1时，吞吐率S才达到最大值。时隙ALOHA算法发生碰撞的时间只有纯 ALOHA 算法的一半，因此，选择时隙ALOHA算法作为该系统的防碰撞算法。

4 结语

为了实现医院住院患者体温采集的自动化、智能化，该系统将基于WSN技术的体温采集节点与基于RFID技术的诊疗卡进行融合。对于融合后网络中数据包碰撞的现象，该文采用了ALOHA算法，并通过MATLAB实验仿真比较了两种ALOHA算法，最终得出时隙ALOHA算法更适合本系统。

参考文献

[1] 刘念.基于动态帧时隙ALOHA防碰撞算法研究[D].上海师范大学，2014.

[2] 梁龙.RFID与无线传感器网络融合研究及应用实践[D].电子科技大学，2009.

[3] 江雨.物联网中RFID标签防碰撞算法研究[D].西北师范大学，2012.

[4] 曲涛涛，阎芳.RFID与WSN技术融合理论研究[J].物联网技术，2013（3）：30-34.

[5] 聂涛，陆阳，张鹏.RFID与WSN在物联网下协同机制的分析[J].计算机应用研究，2011（6）：2006-2010.