基于物联网的医疗垃圾回收设备与溯源管理系统的设计

郑梦乔，黄昭县，宁玉富，王双双，王树宇

（山东青年政治学院，山东 济南 250400）

0 引 言

随着我国医疗卫生事业的不断发展，医院产生的医疗废物数量逐年剧增，医疗废物的处置和回收问题也日益突出。2020年新冠疫情暴发，医疗耗材废物量激增，也进一步暴露出了我国医疗垃圾回收处理体系的不完善。另外，还存在医疗垃圾的非法回收现象，给人们带来了巨大的危害。医疗垃圾如何回收并处理问题倍受关注。

本文研发了一套基于物联网的医疗垃圾回收设备与溯源管理系统。该系统采用射频识别技术（RFID）对医疗垃圾进行识别，辅以外围传感器以及阿里云物联网平台（IoT），结合溯源管理系统实现对医疗垃圾的闭环回收。医疗垃圾回收设备可通过扫描二维码获得待回收垃圾清单，工作人员将垃圾放入回收设备后，回收设备自动对垃圾进行识别，并将信息展示在网页端。后台的溯源管理系统可以对医疗垃圾回收设备进行管理，并对医疗垃圾回收情况进行统计分析，实现对医疗垃圾回收的监管。对该系统在医疗物品进医院、医疗垃圾回收、最终垃圾汇总、设备数据管理和信息安全等方面进行了设计，以达到医疗垃圾的闭环回收和精准溯源的目的。

1 总体结构设计

本系统是采用过程化分解思想进行设计的，包括医疗物品进入医院、医疗垃圾回收、最终垃圾汇总、数据统计以及信息安全等方面。智能医疗垃圾回收设备和溯源管理系统通信采用TCP/IP技术设计专门的通信协议。设计思路如图1所示。

图1 设计框架

1.1 系统的工作流程

本系统的工作运转三大流程为：医疗物品进医院、医疗垃圾回收过程、最终垃圾汇总。对系统工作流程进行了如下细化。

1.1.1 医疗物品进医院过程

对供应链中进入医院的医疗物品输入个数，RFID读写系统会生成互不重复的相应的协议码发送到本地，生成唯一的RFID标签，实现对各个不同种类的医疗物品进行分类和编码。对于小型且量大的耗材，诸如导管、药液瓶和注射器等，其标签随包装袋信息输入，并可以通过条码辅助进行信息录入[1]。

1.1.2 医疗垃圾回收过程

工作人员通过人脸识别登录管理系统[2]，通过扫码枪得到垃圾回收清单，垃圾回收设备进入工作模式。通过连接WiFi进行模糊识别，实现医疗垃圾回收设备工作区域的限定，达到区域可控；在医疗垃圾靠近指定区域时，指定类别的垃圾回收设备上的垃圾桶盖会自动打开，并设计垃圾桶进行投送分离，减少人与垃圾和设备接触，从而降低病毒传播的风险。

垃圾进入垃圾回收设备后RFID识别其类型并将信息记入系统内[3]，垃圾回收设备内的臭氧系统开始工作，对设备内的垃圾进行初步的消毒处理。在垃圾回收过程中终端和服务器保持心跳联动，保证终端所有操作流程均在设备管理系统的监控下；回收人员可通过智能垃圾回收设备上的显示屏看到垃圾回收以及带有明显标注的未收垃圾情况，方便实时查看。

（1）识别管理方面

硬件设备向服务器发送请求，数据由服务端进行处理，并且将数据展示在软件端，包含网页端和微信小程序端，并且均有管理员界面和员工界面。其中，管理员可以看到医疗垃圾的回收情况、新进医疗物品数量，并通过数学统计图的方式展现，以及重点标注可能丢失的垃圾，并显示负责人和批次等信息；员工通过员工账号可看出当日的垃圾回收和未回收情况、负责科室等信息。

（2）信息安全方面

为了保证回收人员信息准确性，在回收人员登录账号后，会出现实名制认证弹窗，回收人员可选择通过支付宝进行实名认证或选择通过二、三要素进行认证；各个管理终端均设有找回密码、短信验证、邮箱验证等方式。

1.1.3 最终垃圾汇总过程

通过扫码或者人脸识别给予医疗垃圾回收设备高级权限，并通过上位机双向通信进行辨别和对智能回收垃圾桶做倾倒口打开处理，最后通过与上位机通信实现可靠数据的传输。

2 智能医疗垃圾回收设备的设计

本系统对智能医疗垃圾车分别从外观和功能两方面进行了设计。外观设计遵循传统医疗垃圾推车的设计，保证使用方便性的情况下更加贴合实际。功能设计方面考虑到了人员身份验证和功能管理实用性。

2.1 医疗回收设备外观设计

设备外观设计如图2所示，其中医疗垃圾回收设备桶盖进出口做相互隔离的设计，以便达到医疗垃圾进出垃圾桶可控，进而实现总体设计中各阶段精准可控。此垃圾回收设备的外形类似手推车，方便移动。在设备上加一块显示屏，用来显示垃圾回收的内容以及个人需要的一些工作信息等[4]。

图2 智能医疗垃圾回收设备外观设计

2.2 医疗回收设备功能设计

医疗垃圾回收人员可通过人脸识别或刷卡进行身份验证。为了减少接触，采用射频识别技术（RFID）进行医疗垃圾的自动识别，并控制分类回收桶的自动开合[5]；医疗垃圾回收设备与上位机通信，获得医疗垃圾回收的相关信息；回收过程中可以通过臭氧对垃圾回收设备中的封闭空间进行杀菌。

2.3 射频识别技术（RFID）的应用

无线射频识别技术主要通过无线射频方式进行非接触双向数据通信。

RFID防碰撞技术为动态时隙ALOHA算法，由RFID读写器把帧长度N发送到电子标签，电子标签产生[1，N]之间的随机数，然后各电子标签选择相应的时隙与RFID读写器进行通信。如果当前时隙与电子标签随机产生的数相同，电子标签则响应RFID读写器的命令；若不同，标签则继续等待[6]。假如当前时隙内仅有一个电子标签响应，RFID读写器就读取该标签发送的数据，读取完以后就使该标签处于“无声”状态。再如当前时隙内有多个电子标签需要响应，则该时隙内的数据就会出现碰撞现象，此时RFID读写器会通知该时隙内的标签，让它们在下一轮帧循环中重新产生随机数参与通信。逐帧循环，直到识别出所有电子标签为止。

3 溯源管理系统的设计

通过上位机实现与智能医疗垃圾桶的通信和对数据的处理工作等。为提高数据的处理速度和数据的可靠性，采用阿里云ECS作为服务端的云平台；为了增加公网安全性和加快访问速度，采用了CDN内容分发网络隐藏真正IP，进行数据快速访问。

3.1 信息显示端设计

在网页上设计一套管理系统，面向管理员和进行垃圾回收的员工，不同账号对应不同界面；页面的整体思路以菜单嵌套式展示，页面的左侧有主要功能列表，包括人员管理、设备信息、任务发布、任务管理、数据上传等标签。在界面的起始界面中间会分成三片区域，显示数据统计、快捷入口、报表统计等。页面如图3所示。

图3 信息显示端界面

在页面的右侧区域会有公告或者信息等内容。管理员与员工的页面会有区分，管理员的权限高，有信息的高可查性；每个科室设置一位管理员，他们可以查看各个科室的垃圾统计和回收情况。对于员工来说，可以在公告处看到自己要完成的任务以及自己管理的设备信息。用两种不同的颜色将任务标记成已经回收和未回收两种情况。

将各级菜单的展示嵌套在除左边功能栏以外的其他区域，不再进行页面跳转。面向管理员，在系统可靠性方面，采用了基于腾讯云服务的短信验证、邮箱验证，以便进行密码找回。面向进行垃圾回收的员工，在信息真实性验证方面，采用基于支付宝实名认证接口（企业认证）的实名认证服务，以及传统的二或三要素认证方法；在数据展示方面，采用百度开源的Echarts进行设计，统计溯源流程过程中产生的数据，并显示在相应页面。

3.2 安全信息交互设计

为保证信息传输的完整性和安全性，采用TCP/IP协议中POST请求，通过STM32发送请求，上位机通过Flask路由进行接收。以Nginx为反向代理服务器，作为高并发高请求的解决方案，并通过容错算法和通信加密进行传输；在接口安全方面，采用与STM32网卡的MAC地址相匹配的数据报头设计方式，辨别通信设备；在上位机负载方面，为了防止服务器被垃圾请求过载，采用IP黑名单方式进行过滤。基于以上设计，实现信息交互的稳定性和安全性。

3.3 AJAX异步刷新

通过在后台与服务器进行少量数据交换，AJAX 可以使网页实现异步更新。这意味着可以在不重新加载整个网页的情况下，对网页的某部分进行更新。传统的网页（不使用AJAX）如果需要更新内容，必须重载整个网页页面。

3.4 数据库设计

本项目采用MySQL数据库进行数据存储应用[7]。采用双数据表协作的方式进行设计，为方便实现多机位控制的需求，采用设备数据表存储，以网卡MAC+特定值作为设备唯一识别码，采用信息数据表储存各个设备的信息和医疗垃圾回收信息等，采用设备数据表索引信息数据表的方式进行多表交互。经过该设计，实现了数据存储和数据前后台交互。管理员表见表1所列。任务表设计见表2所列。

表1 管理员表元素

表2 任务表元素

4 验证与分析

4.1 中间件与云服务器通信

通过ESP8266模块使得嵌入式芯片与云服务器连接；将阿里云物联网平台作为中间件，使得硬件与云端数据库连接[8]，通过此平台可以很清楚地得到设备的状态信息，检查设备是否在线，并对设备进行控制，如图4所示。

图4 阿里云物联网平台

4.2 网页控制的可行性

通过将控制平台网页搭载到云服务器上获得一个公共的IP，使得管理人员可以登录，并且对垃圾回收的任务进行下发，以及对不同权级人员的信息进行录入，如图5～图7所示。

图5 后台系统登录页面

图6 人员管理页面

图7 任务下发页面

4.3 手机APP控制的可行性

对于手机软件的设计，采用WebView将网页打包成APK，并且可以在安卓的各大软件商店上架[9-11]。在网页的代码编写方面，写入屏幕分辨率自适应功能，进而可以适配不同尺寸的安卓手机，进而方便医疗垃圾回收工作人员进行操作。手机端的首页和人员管理界面分别如图8、图9所示。

图8 手机端的首页界面

图9 手机端的人员管理界面

5 结 语

本文基于STM32F4设计了智能医疗垃圾回收系统，可以对医疗废物的信息进行统计；结合OpenMV可以对参与垃圾回收的工作人员的身份信息进行核实与记录，并保证人员的安全。对回收设备的设计主要在两方面进行了考虑：一方面是其密闭性，以保证在回收医疗耗材过程中不会出现泄露的情况，并且通过臭氧预消毒可以抑制一些病菌；另一方面，将识别出来的医疗耗材与云端的管理系统进行连接并且展示出来，便于数量记录以及对回收设备的管理。本系统拥有高可实施性和易部署性。