基于物联网的医用耗材智能屋管理系统

黄国兴, 杨志鹏, 陈良红, 阮树杰, 黄 康, 杨 沁, 孟冠军, 丁曙光

(1.合肥工业大学 机械工程学院,安徽 合肥 230009; 2.太元生物科技有限公司,浙江 绍兴 312000)

0 引言

随着现代医学技术的飞速发展，临床科室使用的耗材规格、种类越来越复杂，耗材数量日益增长，耗材管理难度也不断攀升[1]。传统的简单粗犷式的手工管理模式，在管理和统计耗材时可能会在数量和计划上出现错误，易出现耗材过期或者不够的现象，造成医院资源浪费，越发难以应对工作量不断加大、难度不断提升的耗材管理工作[2]。近年来，随着智能物联网等现代信息技术的迅猛发展，医用耗材的信息化管理水平得到显著提升。医院耗材的信息化管理，不仅可以实现耗材信息资源管理的规范化、科学化，还能推动医院信息化互联互通建设。

本系统是基于C#编程语言和MySQL数据库，以Winform窗体应用程序作为智能屋管理系统的操作界面，建立了基于RFID、门禁设备、RS485串口模块等的高值医用耗材智能屋管理系统，实现智能屋的用户管理、出入库、综合查询、预警等功能，并基于某医院2022上半年部分高值医用耗材的月消耗量数据，通过GM(1,1)模型对高值医用耗材的月消耗量进行预测，且预测精度优秀，可以为采购高值医用耗材提供参考，从而能达到对高值医用耗材的管理精细化、高效化、智能化、科学化。

1 系统整体架构

物联网[3]指利用射频识别(Radio Frequency Identification)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理，构造一个覆盖世界上万事万物的实物互联网。本文涉及到的物联网技术主要有RFID技术[4]和传感器技术。

本文的医用高值耗材智能屋管理系统是基于物联网建立起来的，物联网的三层基本架构主要由应用层、网络层、感知层构成，本系统整体架构如图1所示。

图1 系统整体架构

应用层主要包括windows显示器、工控机和智能屋系统软件，显示器是操作人员与智能屋管理系统进行直接交互的设备，智能屋管理系统的核心业务都需要在显示器上进行选择与验证，系统开机后会自动启动智能屋系统软件，在显示器上通过智能屋系统软件可实现远程用户管理、用户认证、出入库操作、综合查询等等功能。工控机是整个控制系统的核心，控制系统的所有命令都通过工控机发送、接收，通过RS485串口通讯协议对继电器的输出控制、输入状态获取，再通过相应的处理判断，达到对智能屋内灯带、电磁锁、温湿度等硬件设备的控制，使整个系统运作更加流畅化、合理化、智能化。

网络层主要包括有线局域网,如工控机、门禁主机、RFID读写器等都通过网线接在同一个路由器上，在一个局域网下，且只有在同一个网络环境下，才能实现远程连接并调用门禁主机的功能。

感知层主要由控制模块、数据库模块、RFID模块和结构模块组成。控制模块主要是包括继电器、门禁主机设备，其中继电器部分主要包括温湿度模块、接近开关模块、人体感应模块、对射光电开关等。门禁部分主要是实现用户管理与用户认证。货架为五层结构，每个智能屋内配有两个货架，每层层板中嵌入有RFID扫描天线，层板用于存放贴有RFID标签的高值医用耗材，货架侧面装有RFID读写器。每个货架上布置一个人体感应模块，货架每层层板之间布置有一对对射式光电开关和灯带，都用来减少系统出入库的时间，提高业务效率。四大模块的协调配合组成了高值医用耗材智能屋管理系统，实现系统的出入库、用户管理等业务。

2 系统基础功能设计

高值医用耗材智能屋管理系统主要实现用户管理、耗材出入库及盘存、温湿度采集、智能屋门和灯带等的控制、本地数据上传服务器等基础功能，具体实现的控制系统架构如图2。

图2 系统控制架构图

门禁功能在应用层的显示器和感知层的门禁主机上实现，结合门禁系统实现系统的用户管理，超级管理员用户可以通过系统实现增加和删除用户信息，其中增加用户时可以给用户指定相应权限(普通用户、超级管理员)，用户可以通过人脸、卡和密码等方式进行系统身份认证。用户经认证后，方能进行智能屋的相关操作。

RS485继电器是从工控机通过RS232-RS485转接设备接入ZZI0808继电器(8输入，8输出)，电磁锁、灯带接在继电器的输出端口上，接近开关、人体感应模块、对射光电开关的输出线接在继电器的输入端口上，通过串口读取继电器输入端对应端口的信号变化，进而改变相应的灯带和电磁锁的开闭状态，温湿度采集模块则是通过串口通讯发送相应的指令码，再读取串口接收的数据并进行处理，得到智能屋内温度和湿度，并实时显示在显示器主界面上。

RFID及数据库部分主要通过货架层板中的天线对耗材上贴的便签进行扫描，通过数据库对比处理，获得智能屋内的耗材出入库数量、种类，也可实现对智能屋中的耗材库存数量、种类进行总盘点，并将详细记录并传入数据库中。

本地数据上传服务器，将本地操作过后的数据传入后台服务端(如出入库数据、用户数据、操作日志等)，可实现在服务器端也能远程掌握智能屋的耗材库存及出入库情况，并且可实现数据的导出打印、便于相关人员进行补货等。

3 系统核心业务管理及流程设计

3.1 系统核心业务

高值医用耗材智能屋管理系统开机初始化后，显示器主界面上有四个主按键(即四大核心业务)分别为用户管理、出入库、综合查询、预警管理。系统主界面如图3，系统核心业务管理如下：

(1)用户管理：选择用户管理功能后会提示用户身份认证，只有用户权限为超级管理员时，才能通过门禁认证并进入用户管理的二级操作界面，具体分为用户增加、用户删除，其中增加用户类型分为卡用户、人脸用户、密码用户；其中人脸用户增加可通过两种方式，分别为上传指定格式的图片或者远程通过门禁主机采集人脸数据，第二种方式更加方便、快捷，本系统使用的是第二种采集方式；卡用户增加需要输入ID卡上的卡号；密码用户需要设置验证密码；再填写用户基础信息和设置权限即可实现用户的增加；用户删除实现只需要选择用户再点击删除即可将该用户的所有信息全部删除，不再能通过门禁认证也就无法进入智能屋内。

(2)出入库管理：该业务跟高值医用耗材直接关联，是智能屋管理系统中最重要、最常用的部分。选择该业务后也需要进行用户认证，普通用户权限即可通过认证，认证成功后，打开电磁锁和灯带，操作人员才能进入智能屋内进行耗材的存、取等操作，操作结束后通过调用RFID模块扫描，进行数据库比对并，对智能屋内货架上的耗材的种类和数量的出库和入库信息、操作时间、操作人信息进行记录保存在数据库内，并上传后台服务器。

(3)综合查询管理：该功能可实现对现有智能屋内的所有耗材种类和数量进行扫描统计，可便于管理人员进行及时的补充智能屋的耗材，避免了智能屋内耗材短缺影响及时的医疗救治。

(4)预警管理：该功能通过每种耗材的生厂日期、保质期进行统计记录，实现耗材过期前指定天数进行警告提示，根据距离过期天数具体还分为一级预警、二级预警、三级预警，可以有效避免高值医用耗材因过期而造成巨大浪费，造成巨大的经济损失。

图3 系统主界面

3.2 出入库业务流程设计

系统开机初始化完成后，点击选择显示器主界面上的出入库业务，控制音响发出用户认证的提示语音，用户身份认证成功后，打开智能屋门上的电磁锁以及货架上的灯带，此时控制人体感应模块一直检测是否有人进入识别区域内，当检测到有人员进入后，持续读取货架上每层布置的对射式光电开关的信号变化，根据信号变化获取并记录被操作过的货架及层数；当人体感应模块检测到操作人员完全离开了识别区域后，通过对射光电开关的信号变化情况，判断操作人员是否对货架某层耗材进行存取，当读取到有货架层被操作时，开启对应的货架及层数的RFID天线进行扫描，并将扫描得到的耗材信息传输至数据库内，最后通过数据库的相应比对逻辑得到此次操作的出入库的详细信息，并显示在显示屏上，最后关上智能屋门、电磁锁及货架灯带，整个出入库业务流程结束，具体控制流程如图4。

图4 出入库控制流程图

4 基于GM(1,1)模型的智能屋耗材消耗量预测

4.1 GM(1,1)模型的智能屋耗材消耗量预测方法

4.2 GM(1,1)模型建立

(1)建立原始耗材消耗量序列X(0):

X(0)=(x(0)(1),x(0)(2),x(0)(3),…,x(0)(n))

(1)

式中，x(0)(i)≫0，i=1,2,3,…,n。

(2)对原始序列X(0)进行一次累加生成X(1)，X(1)即为X(0)的1-AGO序列:

X(1)=(x(1)(1),x(1)(2),x(1)(3),…,x(1)(n))

(2)

(3)原始序列的准光滑性检验，原始序列中的数据变化越平稳，其光滑比ρ(k)越小，其中ρ(k):

(3)

原始序列满足准光滑性的条件:

（3）完善钻井液处理剂行业标准，制修订适应目前技术发展需要的标准，填补目前部分行业标准空白，从而推动新技术的发展与应用。

(4)

(4)建立均值差分GM(1,1)模型:

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(5)

x(0)(k)+az(1)(k)=b

(6)

式中，参数向量α=[a,b]T,其中-a为发展系数；b为灰色作用量。通过最小二乘估计法可估计得α:

α=(BTB)-1(BTY)

(7)

式中，B，Y分别为:

(8)

(5)建立GM(1,1)的白化微分方程并求解:

(9)

求解式(9)微分方程得:

(10)

(11)

x(1)(1)=x(0)(1)

(12)

(13)

(14)

预测模型的精确度分析：主要通过计算后验差比C和小误差概率p的大小确定测试模型的精确度等级，其中C值越小、p值越大，则表示残差比较集中，摆动幅度小，预测值与实际值更接近，预测效果越好，具体预测精度等级表如表1，后验差比C和小误差概率p的计算如下:

(15)

(16)

(17)

p=P(|e(k)-Pe|<0.6745×S1)

(18)

表1 GM(1,1)模型预测等级表

4.3 高值医用耗材消耗量数据分析

通过2022年某医院上半年高值医用耗材消耗量，将其作为原始序列，并选取吻合器和起搏器两种常用的高值医用耗材用于分析预测，两种耗材2022年上半年的月消耗量如表2。

表2 高值耗材2022上半年月消耗量

采用GM(1,1)模型进行2022年下半年医院每月的高值医用耗材消耗量预测，通过MATLAB编程建模分析得到的预测结果分别如图6、图7所示。

图5 吻合器消耗量预测图

从图6和图7可以看出，2022年上半年的两种高值医用耗材的实际消耗量与基于GM(1,1)模型预测的消耗量十分相近，上半年的预测相对误差以及每月的预测具体消耗量如表3、表4所示。

表3 吻合器耗材消耗量预测值及相对误差

表4 起搏器耗材消耗量预测值及相对误差

4.4 高值医用耗材消耗量预测结果分析

根据表2的2022年上半年的高值医用耗材原始消耗量数据，通过MATLAB软件进行建模分析，对高值医用耗材的全年消耗量进行预测和精度检验，精度检验结果如表5所示，其中C1=0.33559,p1=1;C2=0.30449,p2=1，根据表1对照可知，该模型的预测精度等级为一级，根据表3和表4可以看出2022年上半年的实际消耗量与预测消耗量的相对误差在接受范围内。因此，该模型可以很好地预测医院下半年的吻合器与起搏器两种高值医用耗材的消耗量，且通过图6和图7预测曲线可以看出医院2022年下半年的两种高值医用耗材的月消耗量呈现一个缓慢的上升趋势，与实际情况相符，有利于医院采购人员在采购相应的高值医用耗材时有一定的数据依据，更合理地选择采购种类、数量，提高高值医用耗材的利用率。

表5 高值医用耗材消耗量预测模型精度指标

5 结束语

本文设计并实现了基于物联网的高值医用耗材智能屋管理系统。通过RFID与数据库技术实现对高值医用耗材的全方位管理，并实现对耗材数量、类型、去向、效期的准确把握；通过门禁系统和串口控制技术，实现只有注册过的用户才能进入智能屋存、取耗材，使得对高值医用耗材的管理更加安全可靠；通过布置对射式光电开关、人体感应模块等，极大缩短了系统出入库业务的时间，提高了系统的运行效率；基于某医院2022年上半年两种常用高值医用耗材的月消耗量数据,通过GM(1,1)模型对下半年月消耗量进行预测，为医院采购提供一定的数据参考，避免因采购的主观估计而造成的高值医用耗材的浪费。基于物联网的高值医用耗材管理系统极大地提高了医院对高值医用耗材的管理水平，避免了高值医用耗材的违规使用和浪费，使得对高值医用耗材的管理更加智能化、合理化、高效化。