基于物联网的结核病实验室设备管理系统设计*

刘焕舒 李 硕 郑之国*

基于物联网的结核病实验室设备管理系统设计*

刘焕舒①李 硕②郑之国①*

目的：设计基于物联网的结核病实验室设备管理系统，提出物联网技术用于结核病实验室设备管理中的具体方案。方法： 基于无线移动终端的数据采集技术、无线局域网技术、射频识别(RFID)技术以及计算机技术，采用Web应用系统架构搭建设备管理系统，实现实验室内部设备信息共享与管理。结果：基于物联网技术的结核病实验室设备管理系统利用RFID和二维码进行智能识别，实现对设备的识别、定位与跟踪，构建了由用户登录模块、设备管理模块、设备台账管理模块以及公共事务工作流管理模块等组成的系统架构。经初步运行，取得了入账效率高、便于数据查询、更新和统一管理、可动态维修信息监控、实时设备定位以及利于生物安全管理等良好的效应。结论：基于物联网的结核病实验室设备管理系统及相关技术环节的应用方案，能够实现对实验室设备的识别、定位与跟踪，可有效提升实验室设备管理智能化程度和实验室管理效率的整体水平。

物联网；射频识别；二维码；结核病实验室；设备管理；数据库；信息技术

[First-author’s address]Beijing Research Institute for Tuberculosis Control, Beijing 100035, China.

中国是世界上结核病、耐药结核病高负担国家之一[1-3]。实验室诊断是结核病控制工作前提和必要条件，在结核病诊断、疗效评估、流行病学调查以及控制策略过程中发挥着重要作用。结核病实验室的建设离不开医疗设备，而医疗设备具有种类多、数量大、使用周期长、价格昂贵、地点分散及管理难度大等特点[4]。结核病实验室的性质决定了设备的使用需要满足严格的生物安全要求，并成为实验室动态管理的一大挑战[5-8]。目前，随着医疗信息化水平的提高，部分实验室已经实现了管理的条码化，在一定程度上减轻了劳动强度，但是仍存在设备定位困难、信息易出差错等问题，从而造成工作效率低、失误率高的情况[9]。因此，需要对设备进行实时追踪和管理，科学有效地管理医疗设备[10]。运用先进的信息技术手段对医疗设备自动实时跟踪、定位尤为重要，既可以避免设备巡检和维护工作的疏漏，还可以极大提高医疗设备在使用中的效率，改变当前医疗设备难以精确管理的现状。本研究设计一套基于物联网的结核病实验室设备管理系统，并提出物联网技术应用于结核病实验室设备管理中的具体方案。

1 实验室设备管理系统总体设计

1.1 体系架构设计

结核病实验室设备种类多，分布范围广，通过运用物联网技术实现高效科学的实验室管理能够最大限度地节约人力、物力和财力成本，提高工作效率、管理水平和管理效能，真正实现实验室设备的精细化管理，提高实验室设备管理的准确性，使设备充分利用，安全有效运行，从而保障结核病实验室的生物安全[11-13]。本研究设计的基于物联网的结核病实验室设备管理系统是在传统系统的基础上，将基于无线移动终端的数据采集技术、无线局域网技术、射频识别(radio frequency identification，RFID)技术以及计算机技术相结合，实现对实验室设备的移动化和智能化管理。系统采用Web应用系统架构，搭建数据层、应用层及表示层三层系统结构，实现数据流和应用流的高内聚、低耦合。系统总体架构如图1所示。

图1 结核病实验室设备管理系统总体架构图

(1)硬件结构。基于物联网技术的结核病实验室设备管理系统的硬件包括服务器、管理机、RFID标签、二维码标签以及手持移动式读写器等。其中，服务器是整个管理系统的核心部分，包括数据库服务器、应用服务器和Web服务器；管理机用于管理员操作后台管理系统；RFID标签用于提供设备识别的唯一编码，记录设备关键信息；手持式读写器用于对设备信息采集、设备变动、检修及盘点。

(2)软件设计。本系统采用Web应用系统架构，数据统一存放在数据库服务器中，Web通过应用服务器操作数据库表。在系统开发过程中，采用模块化设计，这有利于各功能的完善性及可扩充性。根据实际调研，系统功能模块包括：①公共事务管理模块；②资源管理模块；③系统管理模块。其中，资源管理模块又可以分为设备台账管理、设备管理和实验室管理3个子模块，每个子模块下都包含了不同的功能，以充分实现仪器设备的智能化与网络化管理。

1.2 数据库设计

主题数据库设计为基于物联网的结核病实验室设备管理系统的核心部分，是系统设计的关键部分之一。数据库设计是对数据资料进行分析、加工和整理，确定数据的管理模式和逻辑结构的过程。对系统数据库的合理设计，可以减少数据冗余量、提高执行速度和数据库的稳定性以及实现数据共享。本系统数据库设计表包括系统数据字典表、设备基本信息表、设备盘点表和设备报废表，数据库设计表的数据内容及数据关系如图2所示。

图2 数据库设计表示意图

2 实验室设备管理系统功能设计

2.1 标签编码设计方案

(1)RFID标签。本系统采用的RFID标签是超高频(ultra high frequency，UHF)无源电子标签，UHF电子标签具有识别距离远、识读率高、防冲突能力强及可扩展性好等特点，读卡距离达3～10 m，每秒可读100张卡，目前，UHF电子标签应用的标准主要是电子产品代码(electronic product code，EPC)标准[14-15]。本系统采用的EPC是标准96位码(EPC-96)。

RFID标签内可以存放与设备相关的信息，本系统设计使用前6位存放实验室科室代码，7～16位存放资产分类代码、17～24位存放设备分类、25～54位存放设备编码、55～64位存放计量单位，最后剩余32位作为数据位可存放其他设备信息(见表1)。

系统中RFID标签的损坏、丢失等问题通过软件控制加以解决，系统具有替换标签ID功能。

(2)二维码标签。二维条码和(或)二维码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的黑白相间的图形记录数据符号信息。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图像输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理[16-17]。本系统采用快速反应(quick response，QR)二维码。

表1 实验室设备管理系统的EPC编码规范

在本系统中，二维码标签是在无RFID读写设备情况下通过具备二维码读头的手机等设备获取信息的一种手段，其在RFID标签的封装表面另外打印出来的图案。根据二维码图案大小，系统设计的二维码标签内容只存放与设备相关的固定信息，包括设备编号、设备名称、设备类型、供应厂商、购买日期、代码及使用年限等。对于与设备相关的经常需要变动的信息，记录在后台数据库中以便随时维护。

2.2 用户登录模块

用户登录模块功能主要是获取登录者的身份和验证密码的正确性，对设备用户和实验室管理员以外的用户进行限制登录。用户成功登录后要根据登录者的身份不同，分别进入相应的操作界面，完成对应的界面初始化。系统客户端具有相同的功能模块，系统根据用户账号判定用户权限，进入相应权限的界面，用户可在其权限内进行相应的菜单操作。模块流程如图3所示。

2.3 设备管理模块

设备管理模块主要处理仪器设备在使用中的使用日期、使用次数及使用人员等数据录入；使用人员通过登录系统填写相应设备使用表单，对设备使用进行跟踪管控。模块流程如图4所示。

图3 用户登录模块流程框图

2.4 设备台账管理模块

设备台帐生命周期流程是设备从运进到安装再审计、使用、检修以及报废的生命过程。设备台账管理模块流程。设备台帐模块不论是从数据还是操作都为整个流程功能提供了功能支持，在每一个生命环节操作人员都可以对设备进行相应的操作(如图5所示)。

图5 设备台账管理模块流程框图

2.5 公共事务工作流管理模块

系统提供的公共事务工作流管理模块，使实验室内部的诸多表单进行在线流程处理，以解决手工处理工作流程的不便，有效避免了无法对整个流程状况进行有效跟踪、了解以及出现人为失误所导致的效率低下，尤其是避免了无法进行量化统计、不利于查询、报表及绩效评估等问题(如图6所示)。

图6 公共事务工作流管理框图

3 实验室设备管理系统应用效果

实验室设备管理系统界面采用简洁明快的设计风格，功能布局清晰，业务流程采用模块化呈现，使用户操作简单，具有较好的人机交互性，系统首页界面设计如图7所示。

通过实验室设备管理系统进行设备管理，使设备入账效率显著提高。在日常实验室管理工作中，与以往采用传统纸质账表、手工填写的管理方式相比，设备入账工作时间减少50%以上，且便于数据查询、更新和统一管理。同时，系统具备的动态维修信息监控和实时设备定位功能，有利于生物安全管理。设备管理操作界面如图8所示。

图7 系统界面首页设计界面图

图8 设备管理操作界面图

4 实验室设备管理系统应用优势

基于物联网技术对医学设备管理，运用RFID技术、二维码技术，完成了医学设备的识别、定位与跟踪，提升了智能化程度。在结核病实验室中有效地提高了管理效率和整体水平，其应用优势主要表现在下述方面。

(1)提高医学实验设备的入账管理水平。通过对设备进行安装RFID电子标签、二维码标签，有效地记载了设备的编号、设备名称、设备类型、供应厂商、购买日期、代码以及使用年限等基本信息，通过读卡器或终端扫描识别传输到设备管理系统，高效地实现了医学设备的入账，便于数据查询、更新和统一管理。

(2)完善对实验设备的全程维护管理。通过系统准确记录了设备的使用周期中的全部维修信息。因设备故障而进行维修或更换部分硬件时，需通过系统获取实验设备的相关信息，记录维修配置信息，备注故障现象原因和解决方案。同时，后台控制系统根据设备特点、使用频率等信息预测出设备可能出现故障的时间点，定时提醒实验管理人员对实验设备进行检测，并将检测后相关信息存储到RFID电子标签中，返回到后台控制系统，以便更准确的预测故障时间点，从而有效地提高设备的检测维护工作效率。

(3)增加实验设备的跟踪定位。利用物联网技术，及时掌握设备的位置，可实现对仪器设备的识别与跟踪，避免在传统管理方式下易出现的设备外借、私自挪用及外出维修而造成的信息管理缺陷。对外借和外出维修设备设置归位期限，并在期限期满前短信提醒相关责任人，以便及时了解设备的状态，及时归位。

(4)实现设备使用过程管理的电子化。对于实验室设备使用过程的管理，通过系统实现对开设的实验项目、实验类别及实验人数等进行统计分析，尤其是大型精密仪器设备的使用记录更要详细登记台帐。未来还可考虑利用物联网的传感器，根据每台设备芯片的记录信息实时了解每台设备的使用情况，使设备的故障原因有据可查。实现实时对设备的运行状况进行监测，一旦关键参数发生异常，将其状况进行判断，并发出预警信息，实时跟踪设备的运行状态。

(5)有利于加强结核病实验室安全管理。结核分歧杆菌属于二类传染性病原微生物，通过呼吸道传播，由于结核病与艾滋病的双重感染以及耐多药结核病的逐步蔓延，结核病医院及实验室面临严重的生物安全风险。通过基于物联网的结核病实验室管理系统能够有效规范仪器设备全生命周期的管理，有利于高水平的落实结核病实验室安全管理措施。

5 结语

物联网的智能感知能力、快速信息传输能力以及强大的数据处理能力将使实验室管理水平得到质的飞跃。本研究设计的一套基于物联网的结核病实验室设备管理系统，提出了物联网技术在结核病实验室设备管理中的应用方案，是对物联网在结核病实验室设备管理的有益实践。

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Design of the tuberculosis laboratory equipment management system based on internet of things/

LIU Huan-Shu, LI Shuo, ZHENG Zhi-guo// China Medical Equipment,2016,13(12):124-128.

Objective: To design a tuberculosis(TB) laboratory equipment management system based on Internet of Things (IOT), and put forward the specific plan of IOT technology used in TB laboratory equipment management. Methods: Bases on data acquisition technology, wireless mobile terminal based on wireless LAN technology, radio frequency identification (RFID) technology and computer technology, the Web application system architecture built equipment management system to realize internal information sharing and management of laboratory equipment. Results: The tuberculosis laboratory equipment management system using RFID networking technology and 2-dimensional bar code identification based on recognition, positioning and tracking of equipment, built system architecture by the user login module, device management module, equipment ledger management module and public affairs workflow management module. It has high efficiency, and is convenient for data query, updating and unifying management, information monitoring, real-time dynamic effect of maintenance equipment for positioning and bio safety management. Conclusion: The application of program links TB laboratory equipment management system networking and related technology based on IOT can achieve recognition, positioning and tracking of laboratory equipment, and also can effectively improve the overall level of laboratory equipment management intelligence and laboratory management efficiency.

Internet of Things; Radio frequency identification; 2-dimensional bar code; Tuberculosis laboratory; Equipment management; Data bank; Information technology

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.12.036

1672-8270(2016)12-0124-05

R197.324

A

2016-10-30

首都卫生发展科研专项(2011-1012-01)“耐多药结核病患者分类治疗管理模式的研究”

①北京结核病控制研究所 北京 100035

②中国信息通信研究院 北京 100191

*通讯作者：zzg_80@126.com

刘焕舒，女，(1989- )，本科学历，助理工程师。北京结核病控制研究所，从事医疗设备采购、维护及质量控制管理工作。