基于无线网络的医院船医疗设备数据采集和传输系统设计

庞 辉，刘 涛

(江苏航运职业技术学院航海技术学院，江苏南通 226010)

0 引言

配备有各种医疗设备的医院船诞生，为海上作业以及远航人员身体疾病的及时救治与诊疗做出极大贡献[1]。医疗设备数据是反映其状态信息的重要依据，对其进行有效采集与传输对实现医疗设备运行状态监控具有重要意义[2]。受航行环境等因素的影响，医院船医疗设备数据传输难以达到较好的应用要求，不仅数据传输稳定性较差，尤其是难以达到较好的远距离传输效果[3]。为保证医院船与监控服务器间的高质量数据传输，设计满足实时传输要求的医院船医疗设备数据采集和传输系统是当下亟待解决的问题[4]。多个节点通过无线方式连接即可完成无线网络的搭建，由于无线网络不依靠固定设施，因此在医院船数据通信上具有广泛应用[5]。

史兵丽等[6]为实现数据的远距离传输，构建了基于ZigBee的无线网络，利用其对采集的应变数据进行传输。但该系统受路由选择影响，其吞吐量未达到理想要求；李腾等构建的远程监控系统采用基于ARM 的采集终端完成监控数据的获取，利用基于ENC28160的数据通信模块实现数据的快速传输后，存储于FPGA 存储模块中。但该系统数据传输方式不适用于大型船舶数据传输系统，数据传输延时较大。为此，本文设计基于无线网络的医院船医疗设备数据采集和传输系统，保证医疗设备数据高效、实时传输，提高系统吞吐能力。

1 医院船医疗设备数据采集和传输系统

1.1 医院船医疗设备数据采集和传输系统总体框架

图1为医院船医疗设备数据采集和传输系统总体框架，该系统由4部分构成，分别为：

图1 医院船医疗设备数据采集和传输系统总体框架Fig.1 Overall framework of data acquisition and transmission system for large ship hospital equipment

基础层

该层由医院船医疗设备和数据采集终端构成，数据采集终端利用互感器、传感器以及激光扫描技术获取医院设备的电压、电流、温湿度以及ID 号等数据。

处理层

该层可实现采集数据的抽取、清洗、去噪等。

网络层

该层是实现大型船舶医院设备数据高速传输的关键，由无线自组网络、交换机、路由器构成，边界路由器的作用是实现无线网络与ZigBee、Wi-Fi 的互联，将防火墙部署在互联节点上，可保证医院设备数据的安全传输。

用户层

该层由客户端服务器构成，具有医疗设备状态监控、日志管理与分析、数据查询、分析与存储等功能。

1.2 数据采集终端设计

医疗设备数据采集是更好实现后续设备状态监控等功能的前提。数据采集终端结构如图2所示。医院船医疗设备ID号等数据通过条码扫描检测单元进行采集，其电压、电流信号分别通过电压、电流互感器采集，其温度、湿度信号则利用传感器获取，上述采集信号需利用放大滤波电路进行转换处理，以满足A/D转换器输入所需的低电压要求，经A/D转换器完成所有采集信号的测量后，将其发送给单片机，由其完成医院船医疗设备ID号、电压、电流、温度、湿度等数据的打包处理，并将数据包传输给无线传送单元，利用其将数据传输给数据处理层。

1.3 无线自组网络设计

1.3.1 网络结构

网络层无线自组网络是医院船医疗设备数据采集和传输系统核心，是在IEEE802.11s无线局域网标准上设计而成的AdHoc 网络。该无线网络具有无中心性，有别于星型或总线型无线网络结构，其结构表现为网状型。无线自组网络基本结构如图3所示。

图3 无线自组网络基本结构Fig.3 Basic structure of wireless ad hoc network

1.3.2 全功能控制器设计

在无线自组网络中，以C8051F020单片机为全功能控制器，不仅可使该控制器具备更好的稳定性及控制效率，也可保证和指令集相支持。单片机中配置了8位A/D模数转换器，通过其可实现无线数据传输网络模拟信号的获取，最高采样速率为550 kb/s，最大带宽为64 kHz。图4为A/D模数转换器的工作原理图。

图4 A/D模数转换器工作原理图Fig.4 Working principle diagram of A/D analog-to-digital converter

1.4 基于MinACK 的路由算法

网络层的路由器模块采用基于MinACK 的路由算法实现医院船医疗设备数据的传输，以提升系统吞吐量。其具体过程为：

1)确认下一跳节点。

2)确定编码解码策略。设定S为源节点，由其对待发送数据包进行等分处理，获得同样大小数据段，其中包含数据包数量为K，分别对各数据段作线性编码后，获得的编码包数量一定不低于K。对于一数据段，可通过Pi(i=1,2,···,K)表示原始包，通过对其线性编码生成编码包，PCj为其第j个编码包，可通过获得，其中系数表示为c ji，其值可在伽罗华域GF28中任意选择。S利用竞争到的信道完成编码包传输后，转发节点获取该编码包，并对其作重新编码，即

其中：ti为 系数。由式(1)得出，编码包与原始包Pi仍保持线性关系。编码后传输到目的节点后，采用下式对其进行解码：

式中：发送到目的节点的编码包表示为PCi′，与其对应的向量表示为=(ci1,···,ciK)，对其作高斯消元便可获得Pi。

3)确认节点数据包发送量。编码包传输至中继节点后，将执行重新编码操作，并转发给下一跳节点。为避免编码包的重复传输，采取如下操作：

在源节点仅有一个数据包需要传输的情况下，编码包由u至v的丢包率通过puv表示，中继节点u传输编码包的次数通过nu表 示，编码包传输至节点v的次数通过下式进行确定：

式中：当ETX(u)高 于ETX(v)值 时，即表示为u>v，说明u是 节点v的上一跳节点，计算u的所有下一跳节点至目标节点的ETX值，并按由低到高顺序排列，具有最小ETX的中继节点拥有编码包优先传输权。原因在于具有最小ETX的节点距离目标节点更近，编码包成功传输的概率更大。反之，当最小ETX的节点未成功收到编码包时，其他下一跳节点方有转发机会，用表示节点传输编码包的概率。

4)发送ACK 确认包。对于中继节点i，当其传输的编码包成功传输至下一跳节点，则将ACK 确认信息传输给上一跳节点。上一跳节点确认ACK 后，即将存储于缓存中的此数据段编码全部予以剔除，并执行下一数据段的传输任务。ACK 数据包由3部分构成，其中数据传输节点ID用于描述传输ACK 数据包的节点序号；其上一跳节点的序号列表通过接收节点ID 列表描述；数据段ID则是对已成功接收数据段的标记，提示节点可做删除处理。

2 实验结果分析

以某医院船上的呼吸机、监护仪设备为研究对象，利用Matlab软件工具对数据传输的无线网络进行搭建，网络拓扑中含有的节点总数为10，数据传输信道总数为4，其中一条为控制信道，其余均为数据传输信道，假设只有相邻节点间可进行数据传输。采用本文系统对2022年7月3日-5日2种设备数据进行采集，设定设备的日运行时间为6h，数据采集周期为5min，数据采集后完成数据的传输，验证本文系统的应用性能。

以呼吸机设备为例，采用本文系统对各采样点设备数据进行采集，部分数据采集结果如表1所示。分析可知，采用本文系统对医院船呼吸机设备数据进行采集，可获取能够反映其运行状态的功率数据，其中前7个数据为待机模式下的呼吸机设备数据，其余为运行中的呼吸机设备数据。实验结果表明，本文系统可实现设备数据的采集，可将其应用于医院船医疗设备数据采集中。

表1 呼吸机设备的数据采集结果Tab.1 Data collection results of ventilator equipment

采用本文系统对呼吸机设备采集数据进行传输，并与文献[6]的基于ZigBee无线网络系统、文献[7]的基于ARM 系统进行对比，设定传输的数据包总量为600，各数据段中所含数据包数量K在[10,80]区间取值，在不同K取值下，以上3 个系统的吞吐量变化结果如图5所示。分析可知，在对呼吸机设备数据传输过程中，不同K取值会对系统吞吐量产生直接影响。本文系统及文献[6]系统、文献[7]系统均随其值的不断增大，系统吞吐量呈逐渐上升趋势变化，在K达到40时前，系统吞吐量值上升幅度较大，继续增大数据包传输量，系统吞吐量变大幅度减弱，逐渐趋于稳定。K值一定情况下，本文系统吞吐量始终高于文献系统。实验结果表明，本文系统数据传输能力突出，优于文献系统。

图5 本文系统数据传输性能分析结果Fig.5 Analysis resultsof system data transmission performance in this paper

系统数据传输质量可通过接收信号强度进行体现，系统接收信号强度值一般为负数，当其值无限贴近于0，说明系统数据传输质量越好，但最小信号强度不得低于−50 dBm。将三种频带干扰加入到数据传输过程，分别为B，C，D频带干扰，在各种干扰情况下，通过对不同信号粒子数量的信号强度变化进行测试，验证本文系统的数据传输性能，实验结果如图6所示。分析可知，不同频带干扰对系统接收信号强度的影响存在一定差异，B频带干扰下，不同信号粒子数量下的系统信号强度值变化趋势较为稳定，信号强度值最大，在(−18，−10)dBm 区间变化；当利用C频带干扰对数据传输过程进行扰动时，系统接收信号强度低于B频带干扰情况，其值于(−30，−18)dBm 区间变化；将D频带干扰加入到数据传输过程，对系统数据传输性能影响最大，此时信号强度最弱，在−41 dBm~−23 dBm 范围变化。3种频带扰动虽对本文系统的数据传输性能有不同影响，但均满足数据传输质量要求。因此，本文系统可实现医疗设备数据的高质量传输。

图6 频带干扰下的系统数据传输性能分析Fig.6 System data transmission performanceanalysis under frequency band interference

3 结 语

将本文系统应用于某医院船医疗设备数据采集、传输中，通过分析呼吸机设备数据采集结果、与文献系统的系统吞吐量比较结果、接入不同频带干扰下的接收信号强度的变化等验证本文系统的应用效果。实验结果表明：该系统可完成呼吸机设备数据的获取；K为40时，本文系统吞吐量即可达到较高水平；B频带干扰对传输信号强度影响最小、D频带干扰影响最大。