物联网智能输液系统的网络设计

李东树 郭满 刘昶甫 于本成

摘要：物联网智能输液系统利用无线网络、条码、无线传感器、数据挖掘、VoIP等技术，实现医院输液的自动化、可视化监控和报警。解决人员效率、输液安全、信息共享、通讯质量、准确性控制、输液经验等关键问题。在患者、药品、医务人员之间建立输液虚拟空间，构建新型的患者通信人性化系统。

关键词：智能化;物联网;无线网络;人性化

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）13-0060-02

1序言

物联网智能输液系统的设计与实现主要基于病院已有网络拓扑来完成网络搭建，服务器传送采用无线的模式，数据传送则使采用医院原有网络设备。系统构建采用星型结构，为了防止中心网络出现问题，中心网络采纳两个节点保障网络可靠性，并使中心具有占领机制，保证中心的自我修复功能。

智能化物联网输液系统的设计与实现将升级改造现有的网络。结合无线传感器网络、异构网络集成技术和无线局域网，实现了对异构无线网络的统一接人，为系统的顺利实现提供了基本的网络服务嘲。

2智能输液网络感知系统设计

基于ZigBee无线自组织网络模式的智能输液网络状态感知系统。硬件系统由三部分组成：智能输液状态网络传感器（采集节点）、无线中继节点和网关节点。根据应用环境的特点，将整个区域划分为几个无线自组织网络。采集节点实时采集输液过程中的状态信息，通过中继节点将输液信息传输到网关节点，网络节点通过以太网转发给上位机服务器。服务器负责处理接收到的信息并反馈必要的信息。为了保证系统的可靠性，网关节点采用双节点冗余结构。网关节点通过网络连接到服务器。正常情况下，主网络节点处于活动状态，备份网关节点处于克隆状态，监听主网络节点的传输嘲。备份节点也接收数据，但不处理数据。当主节点发生故障时，它可以立即接管处理包。

2.1智能输液状态网络感知仪

基于ZigBee的无线传感器网络将设置在病房区或输液大厅。无线传感器网络由智能输液监护仪（采集节点）、ZigBee中继节点和ZigBee网关节点组成。输液数据主要采集节点采集输液过程信息（输液规格、剩余质量、剩余时间等），然后通过ZigBee中继节点采集数据。随后集合到ZigBee网关节点，网关节点可以直接访问医院现有的有线网络，并将数据转发给服务器，完成数据的后续处理和分发。考虑到医院基础网络现代化水平不统一，有的医院部署了覆盖医院的无线局域网，有的医院没有部署无线局域网，或者部署范围小。根据需要，在医院病房区或输液大厅部署WIFI热点，护士可通过手持智能终端接收服务器发送的病人输液等调度任务。在换液即将结束时，服务器通过WIFI将拔针任务调度发送到护士手持终端，护士之间也可以通过WIFI进行通信。智能输液和呼叫中心服务器通过医院基础网络和HIS系统连接。HIS系统的数据可以通过数据库耦合从HIS系统的数据库视图中获取，从而提供系统的服务范围和能力。具有相应权限的用户可以通过医院内部或外部网络连接到中心服务器，查询输液相关信息，如病人输液状态信息、护士工作量信息、输液仓库信息等。中心服务器还可以根据系统配置将相关信息推送到特定用户。结构如图1所示。

2.2无线中继节点

每个无线自组织网络由若干采集节点、若干中继节点和一个网关节点组成。为了优化无线网络的性能，需要合理地配置路由节点和网关节点。采集节点实时采集输液信息，通过中继节点转发给网关节点，网关节点通过以太网转发给上位机服务器。服务器负责处理接收到的信息并反馈必要的信息。系统结构如图2所示。

2.3无线传感网络

根据输液应用环境特点，对无线传感器网络部署要求进行分析：采集节点在输液大厅或输液病房是一种集中式均匀分布方式;节点密度较大且需要有较好的连通性，且需要网络保证覆盖范围;节点只要架设完毕，就既不需要变动，也不需要人工配置网络;采集节点采用电池供电的工作方式，要求能量消耗少，能胜任长期监测任务。

本次采用分布式星型结构，中心节点若采用单一节点，会降低整个系统的可靠性，若出现单点阻碍，会让正整个系统瘫痪，为此设计冗余中心节点协议，通过冗余结构保证系统的可靠性。

在基本拓扑结构中，基于链的线性网络协议相对浅显，健壮性略弱，当其中一个节点损坏会导致单条链路的数据转发产生异常;基于网的平面网络，虽然连通性好、网络健康，但是这类网络结构存在效率差的缺陷;基于簇的分层网络，不仅具备网的平面网络的好处，同时还具有分布式协同处理和数据网络等优势。根据对输液监护应用场景的分析，系统更适合采用基于簇的分层网络，在保障网络健壮性的同时，降低网络的复杂度。

2.4网关节点

输液节点是对病人监护的关键点，但由于各种意外情况（断电、倾塌，通讯中断等）的出现，可能导致输液过程中的安全性问题。为了保障系统的可靠性，网关节点采用双节点冗余结构，网关节点使用网络与服务器相连接，一般情况下，主网关节点处于激活状态，备份网关节点处于克隆状态，侦听主网关节点的传输情况㈣。备份节点也接收数据，但不处理数据，当主节点出现故障时，可以立即接管处理数据包，设计的防意外处理方法要切实有效的保证输液节点在意外出现时，能够快速恢复或者报警通知。节点冗余结构如图3所示。

输液节点的主从关系首先通过比较优先级获得，优先级默认为1，管理员可以自行修改，当优先级一致时，比较计算机的MAC地址，最终确立主从关系。为了使协商过程可以有效进行，通过计算机串口心跳线作为传输媒介。如图4所示。

对于功能不单一的设备的最佳解决方法是使用有限状态机，这种方式可以使协议方知道当前自己所处的状态，通过状态判断当前的任务。输液中心节点包括Init、2-Way、Wait、Er-r叫、Confirm、Clone和Active状态。选举过后处于Active状態的中心节点为工作节点，处于Clone状态的中心节点仅接收信息而不处理信息。这种冗余的方式可以增加现有网络的可靠性。

3总结

结合异构网络集成技术，完成了异构无线网络的统一接入，为系统的顺利完成带来了基本的网络服务。采用了ZigBee无线传感器网络，它由智能输液监测采集节点、ZigBee中继节点和ZigBee网关节点组成。对于无线传感器网络的部署，采用分布式星形结构来保证网络的健壮性，降低网络的复杂度。网关节点采用双节点冗余结构㈣。在紧急情况下，备份节点可以立即接管处理数据包，防止输液节点发生意外。