无线组网技术在医院环境监测中的设计与应用

陈 斯 洁

(复旦大学附属华山医院 上海 200040)

无线组网技术在医院环境监测中的设计与应用

陈 斯 洁

(复旦大学附属华山医院 上海 200040)

智慧医疗系统是物联网技术典型应用场景。基于ZigBee通信网络的智慧医疗系统遵循物联网的感知层、网络层、应用层三层结构体系，系统包含数据采集层、中间件层和Web应用层。该系统的设计模型实时串联三层应用，性价比高、鲁棒性强。实验表明，该系统完成数据级、特征级、决策级三级数据聚合，错误帧的检出准确率提高了3%～5%，为智慧医疗系统设计提供了一种新的设计模型。

ZigBee 传感网络 智慧医院

0 引 言

随着物联网的飞速发展，医院信息化与物联网之间关联性越来越紧密。智慧医疗系统中融合着多样的物联网场景技术如数据采集、环境监控、过程控制与跟踪追溯等。在医院环境监测管理范围内，物联网的应用主要包括基于传感技术的环境监测涉及空调风量、光通量、环境温度与湿度监测等医院楼宇的智能控制。如何选择一种低成本、低功耗、便携的无线连接技术是能否成功有效建设医院物联网系统的关键。

随着物联网的发展，作为其重要分支的无线传感器网络技术也不断更新。经过多次实验与选型，认为在无线传感网络技术中，ZigBee标准相对具有应用成本优势，且完全能满足医院智慧园区的无线组网需求。

智慧医院的物联网总体架构划分成感知层、网络层和应用层[1]，以实现信息感知与物物交互的应用[2]。基于ZigBee通信网络技术的的智慧医疗系统采用数据采集、中间件、Web应用的三层物联网信息模型[3]，其总体示意结构如图1所示。

图1 医院无线物联网结构示意图

其中数据采集感知层使用智能传感器采集信息并控制对象。传输层通过ZigBee无线网络接入智能网关，将数据传输至嵌入式全可编程应用开发平台进行数据处理，通过网络方式反馈给应用层。视频监控则直接采用视频播放插件与Web页面交互[4]。

1 系统总体设计概述

系统体系结构的设计中参考了物联网通用需求，参照电信网演进的物联网体系结构[5]，系统三层体系结构框架如图2所示。

图2 系统三层体系结构框架

系统总体设计方案采用三层结构，分别为Web应用层、中间件层和数据采集层。Web应用层的功能主要为用户提供交互界面，查看数据，并可以根据数据进行相应的处理；中间服务层包括嵌入式中控服务器、数据采集系统和视频监控插件，其功能是实现对硬件层采集数据的处理，并按应用层兼容的格式进行打包，然后传递给Web应用层，既为Web应用层提供接口，又衔接了硬件层的接口；数据采集层实现了对原始数据的采集和录制，采集的数据包括温度值、湿度值、风速值、风向值等。

系统流程如图3所示，Web应用层响应客户端浏览器发送过来的CGI命令请求。CGI控制器解析命令请求，把命令加入共享队列，命令解析服务器从共享队列中获取命令并解析，发送至串口。ZigBee协调器从串口接收命令并广播发送至ZigBee网络，ZigBee设备节点控制器接收匹配的命令，执行设备操作。ZigBee控制器返回操作结果，广播发送至协调器，ZigBee协调器从网络接收操作结果，发送至串口。命令解析服务器从串口获取操作结果并解析，返回共享队列,CGI控制器获取操作结果，返回给Web应用层。

图3 系统流程图

2 系统详细设计

2.1 Web应用层设计方案

Web应用层的主要任务是响应客户端浏览器发送过来的HTTP和CGI请求，提交从中间件层所获取的设备层的传感器采集数据；提供用户登录、用户注册、设备操作、视频监控、条码操作、系统设置等界面，将用户信息和系统配置写入数据库等，主要包含系统登录和注册流程、天气预报和环境监测流程、设备操作流程、视频监控流程、条码操作流程、系统帮助流程、系统设置流程，图4为设备操作对应的软件流程图示例。Web应用层包含的软件接口部分功能说明见表1。

图4 设备操作流程图

功能函数登录说明系统登录页面index.htmlfunctionlogin_handle()系统登录验证函数用户注册页面register.htmlfunctioncheck_name()检查用户名函数functioncheck_password()检查密码函数functioncheck_repassword()检查重复密码函数functioncheck_email()检查邮件地址格式函数系统主页面main.htmlfunctionrealtime_detect()环境实时监测函数设备操作页面device_operation.htmlfunctiondevice_operation()设备操作函数视频监控页面realtime_monitor.htmlFunctioninitialize_monitor()初始化视频监控函数

2.2 中间件设计方案

中间件层包括Appweb服务器、CGI命令控制器和命令解析服务器。其主要任务是解析Web应用层发送过来操作命令，并传递给ZigBee网络层。

从网络层获取设备层采集的数据，打包成JSON格式的字符串，实现对设备层采集数据的处理，并按应用层兼容的格式进行打包，然后返回给Web应用层显示。

Web应用层就是基于Appweb服务器运行的网页前端应用，CGI命令控制器的作用是响应客户端浏览器发送过来的CGI命令请求，解析命令请求，打包成操作数据包，并把它加入共享内存队列，便于命令解析服务器使用。

命令解析服务器从共享内存队列中获取操作数据包并解析成数据采集层能够识别的格式，发送至串口，与数据采集层交互通信。视频监控模块直接采用视频播放插件与Web页面交互，即在客户端浏览器上安装VLC Media Player播放器插件后，在Web应用层的视频监控页面上直接播放视频。

系统登录、用户注册和系统设置这3个模块分别对应相应的中间件软件，底层采用SQLite嵌入式数据库作为存储机制，实现完整的系统交互。

中控服务层软件接口有CGI命令控制程序、parseServer命令解析程序、系统登录中间件、register用户注册中间件、setup系统设置中间件。

2.3 数据采集层设计方案

数据采集层是面向物联网的无线传感器网络的体系[6]，包括由ZigBee协调器和ZigBee控制器组成的无线网络和嵌入在ZigBee数据采集设备中的智能传感器共同组成，每个ZigBee控制器对应一个或一组传感器设备。

ZigBee协调器作为无线网络中的路由器，它上层对接中控服务系统，从串口接收中控发来的命令并广播发送至ZigBee网络，使设备节点可以接收命令；另一方面，从ZigBee网络接收设备节点返回的操作结果数据，并通过串口回送给中控服务系统[7]。

ZigBee控制器监听网络上的命令请求，并根据设备节点号匹配属于自己的操作请求。根据命令执行对应的设备操作：数据采集、设备重启、检测设备状态等，然后获取智能传感器的返回数据或设备状态，并再次通过ZigBee网络回送给协调器。

中控服务层包含的软件接口有ZigBee协调器程序、ZigBee控制器——温湿度仪程序、ZigBee控制器——风速仪程序、ZigBee控制器——风向仪程序。实现的函数功能为：应用事件处理器函数、串口命令接收函数、设备消息接收函数、设备消息接收函数、串口命令接收函数、设备消息接收函数、串口命令接收函数、设备消息接收函数、串口命令接收函数。

2.4 数据库设计方案

出于系统建设过程中的前端易开发及后台数据易管理的角度考虑，智慧医疗系统的物联网采集层选用嵌入式开发平台，嵌入式配套数据库选用SQLite。该数据库与Web应用层服务器后台的Orcale 11g数据库实现前后台两个数据库的对接[8]。

中间件嵌入式端设计了一个info数据库，包含3个关系表：user_info、sys_info、monitor_config 分别对应系统的不同功能。user_info表对应于系统登录login和用户注册register中间件，详细的user_info用户信息表见表2。sys_info表对应于系统设置setup中间件。monitor_config表，对应于系统设置setup中间件。

表2 用户信息表

中间件嵌入式端存放适时采集的传感器数据、视频流，大量的历史数据存放在服务器端，采用Web Service完成两个数据库之间的对接，数据库架构如图5所示。

图5 数据库存储架构

3 功能实现及性能分析

基于ZigBee通信网络的智慧医疗系统实现主界面见图6，整个系统性能的核心是数据稳定性和兼容性，下面从三个方面进行系统的数据分析。

图6 主界面

(1) 物联网数据集合分析。物联网的数据集合定义，包含数据级低等水平融合、特征级中等水平融合、决策级高等水平水平融合和多级融合[9]。智慧医疗系统构建一个实时存储、历史保存的物联网数据集合体系。在数据级对传感器数据进行噪声消除；在特征级对采集的数据进行模式分析及特征提取有效数据；在决策级对应用场景进行有效性优化，提升了采集数据的准确性、收集数据的有效性、应用数据的价值性。

(2) 数据通信帧分析。采集100次现场单一温度采用，与没有采用系统模型的相比，错误帧检出准确率提高了4%，错误帧的比例占整个帧的4%。通过对数据采集层的数据进行分析丢包率、通信效率的分析[10]，图7显示的是MAC层帧占的比例柱状图。该柱状图显示在组网过程中命令帧、确认帧、信标帧、数据帧和错误帧的比例，提升了数据的稳定性。

图7 MAC层帧占的比例

(3) 中间件层数据实时性测试。选用温度、湿度和风向三个传感器对中间件进行数据测试，测量一次数据作为一个消息，且把三个传感器分为普通消息、环境消息、紧急消息。对数据的不同紧急性要求中间件平均处理相应不同，随应用需要的响应次数变化测试结果如图8所示,横轴为信息个数，单位为个；纵轴为处理时间，单位为s。

图8 不同紧急性消息平均响应处理时间

从图8可以看出随着消息响应服务的增多，中间件层处理消息的服务响应时间上升态势非常明显，但在响应605个消息内中间件层在处理数据的时间都低于8 s,满足实际应用需求对系统要求的处理时间。同时不同级别的消息，对应相同的消息个数，但紧急消息的处理时间低于环境消息的处理时间、环境消息的处理时间低于普通消息的处理时间。在消息个数为505个时，紧急消息处理时间低于1.6 s、环境消息处理时间低于4.2 s、普通消息的时间低于7.7 s。

4 结 语

当前无线网络(WLAN)以惊人的速度进入社会与企事业场所，WLAN正以其应用方式灵活、价格相对合理得到快速的普及。

本文提出基于ZigBee通信网络的智慧医疗系统由Web应用层、中间件层、数据采集层三层结构模型组成，实现数据采集、中间件控制、Web应用的三层耦合，完成数据级、特征级、决策级三级数据融合。模块化设计、开放的软硬件资源和高度可扩展性，为智慧医疗系统设计提供了一种新的无线组网设计模型。

在实际中的大规模布设WLAN都会面临许多问题，例如同道干扰、AP覆盖范围等很多问题，这些问题是相互关联的，一般解决某一个问题往往会导致其他问题更加严重。因此必须寻求更好的途径综合解决这些问题，只有组建出良好稳定的网络环境，WLAN技术才能得到用户完全的信任，才可能长久发展下去。下一步将对此技术深入探讨。

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DESIGNOFWIRELESSNETWORKINGTECHNOLOGYINHOSPITALENVIRONMENTALMONITORINGANDITSAPPLICATION

Chen Sijie

(HuashanHospital,FudanUniversity,Shanghai200040,China)

Intelligent medical system is a typical application scene of Internet of things. The intelligent medical system based on ZigBee follows the three layer structure of Internet of things including perception layer, network layer and application layer. The system includes data acquisition layer, middleware layer and Web application layer. The design model of the system is connected in real time with three layers of applications, with high cost performance and strong robustness. Experiments show that the system has completed the data level, feature level and decision level three levels data aggregation, and the detection accuracy of the error frame is improved by 3%～5%. This system provides a new design model for the design of intelligent medical system.

ZigBee Sensor network Intelligent hospital

TP3

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.045

2017-06-16。陈斯洁，助理工程师，主研领域：信息化医疗。