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医疗设备物联网体系结构与核心技术的论文
0 引言
物联网的思想最早是由美国麻省理工学院Au-to-ID Center的着名教授Ashton 1999年提出的。随着技术和应用的发展，物联网的内涵不断扩展。真正意义上的物联网可以实现对物的感知识别控制、网络化互联和智能处理的有机统一[1].当前，大型综合医院集中了大部分优势医疗资源，导致大型医院就诊人数日益剧增。但由于缺少必要的辅助工具，在设备管理、药品管理等过程中会出现一些人为差错[2].医疗设备科学、有效、安全的管理反映了当下医院的管理水平，是医院信息化的重要组成部分。随着医疗设备数量日益增加以及医院管理智能化要求越来越高，医院对医疗设备的管理流程越来越复杂[3].运用物联网技术，可以将感知技术、通信技术及软件信息技术融合在一起；通过设备诊断技术与计算机网络技术相结合，在设备上建立状态监测点，采集设备状态数据后通过传感设备、微计算芯片和通信模块，按照约定的协议，把目标设备统一连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、数据反馈等集群目标的主动管理；利用信息管理平台对设备运作进行分析判断和数据分析统计，实现医疗设备信息化管理。本文对基于物联网的医疗设备管理体系结构和关键技术进行研究，以供参考。
1 技术背景
1.1体系结构
体系结构本意是“统一的或一致的形式或结构”.体系结构可以精确地定义系统的组成部件及其关系，引导开发者遵循系统的一致性原则，以确保系统符合预期的要求。因此，物联网体系结构是设计与实现物联网系统的首要基础[4].建立物联网体系结构的最主要过程是从各种应用需求中统一抽取出组成系统的部件以及部件之间的组织关系。图1是对物联网体系结构的分类总结。
1.2关键技术物联网主要是对感知层、网络层和应用层等关键技术的应用、实现、研究和开发。其中感知层的关键技术见表1.
其他关键技术有传感器网络通信技术、通信网络技术1平台技术等[5].在物联网中，不仅要实现物物相连，而且要做到识别、定位、追踪和管理。而射频识别（radio frequency identification,RFID）技术在物联网感知层关键技术中处于突出的地位[6-7],是物联网中规模化识别技术的首要选择。
1.3存在问题
物联网技术的发展为医疗设备的管理带来了新的思路。它利用感知技术与智能装置对医疗设备进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，达到对医疗设备实时控制、精确管理和设备共享的目的[8].物联网的研究、实施、发展和应用还存在很多问题，主要有：
（1）规模化问题。为获得完整可靠的数据，智能节点和RFID设备必须大量且合理地布置。在感知层，当一部分元件出现故障时，有其他元件可以替代，这就需要规模化来保证[9].
（2）标准化问题。包括RFID技术、通信协议及应用层的标准化。
（3）数据问题。首先，要通过物联网能够持续、稳定、安全地获取数据；其次，数据的时效性要有保证，网络传输信息延迟问题要得到解决；最后，数据库管理以及安全隐私问题[10].其中，数据的获取与采集非常重要。
2 医疗设备物联网体系结构
物联网技术在某一领域中的应用，更多的是利用感知层、网络层和传输层3层框架。针对现有研究基础和医院实际环境的特点，对医疗设备也采用了3层体系架构，但根据实际环境特点对医院进行改进和细化。医疗设备物联网与其他物联网应用相比，具有设备众多，应用复杂，系统中存在大量异构数据、异构接口和异构协议转换等特点。在其体系架构中，将数据采集的终端设备和保证数据安全接入的AP和网关归属于感知层；中间件、网络管理软件和信息采集、汇聚、分析和发布软件归属于传输层；医院信息系统（hospitial information system,HIS）、实验室信息系统（laboratory information system,LIS）等医疗设备物联网应用系统归属于应用层。医疗设备物联网体系结构如图2所示。
2.1感知层
医疗设备物联网感知层通过传感器设备来采集RFID标签或医疗设备等对象的数据，然后通过蓝牙、Wi-Fi等短距离传输技术传输数据，实现物品感知信息和控制信息的统一识别。感知层主要包括RFID标签、传感器等关键技术以及医疗数据安全接入AP和智能网关等。其中，RFID是医疗设备物联网的核心技术。它由电子标签和读写器组成，在电子标签内存储特定格式标志物体信息的电子数据，并采用非接触式自动识别技术，通过电子标签对其附着的物体进行定位追踪，具有读取距离远、数据存取速度快、安全性高等优点[11-13].
2.2传输层
传输层包括中间件，网络管理软件，信息采集、汇聚、分析和发布系统等，并与位于医疗设备物联网应用层的HIS、LIS建立接口。传输层主要用于将感知层识别的各种感知和控制信息按照通用数据传输协议转换成标准格式，实现医疗设备物联网人与物、物与物之间的互联互通。
2.3应用层
医疗设备物联网应用层主要完成对感知层采集的数据的计算、处理和知识挖掘，并将这些数据与医疗活动中各种应用系统相结合，如电子病历、HIS、LIS、影像归档和通信系统（picture archiving and com-muication system,PACS）等各种医疗信息系统和医疗设备管理平台等应用系统，从而为管理决策提供支持。
3 系统关键技术
3.1智能网关设计
智能网关是医疗设备物联网系统实现的基本组件之一，它是物联网感知层与物联网网络层之间的桥梁。它一方面可以将感知层获得的数据进行汇总、处理、存储；另一方面可以通过各种不同的手段将这些数据传递给服务器，为应用层提供数据支持。网关支持无线传感器网络内部数据协同和汇聚，支持以传输控制协议/因特网互联协议（transmission controlprotocol/internet protocol,TCP/IP）接入、3G接入或者其他接入方式，从而桥接传感器网络与医院网络[14-16].
（1）硬件设计：智能网关硬件设计如图3所示。该设备器件采用低功耗设计，具备USB、Uart、SPI、I2C等传感器硬件接口，并具备Wi-Fi、Zig Bee、Inter-net等通信接口接入能力。图4为智能网关实物图。感知节点采用MSP430和CC2420作为处理器和无线通信模块，嵌入了基于Zig Bee芯片的无线收发模块，实现了传感网络子节点之间的数据传输，通用无线分组（general packet radio service,GPRS）通信模块作为传感网络与物理室之间的桥梁。一方面实现以太网、3G、Wi-Fi、RS485、CAN总线等通信接口用于网络层互联；另一方面利用Zig Bee、射频等无线传输手段实现与物联网感知传感器的交互连接。并添加Web Server、液晶显示屏（liquid crystal display,LCD）、键盘、I/O接口、SD卡等功能，可以根据实际需求进行功能定制。
（2）软件设计：智能网关位于传输层，负责与管理平台与感知节点交互。医疗设备智能网关主要实现对现有接入网、核心网等网络的配置管理，同时针对医疗设备物联网终端数量庞大、各终端工作状态需实时监控等特点，对每一个终端设备分配一个可管理的地址，如IP地址等，从而实现网络通信安全设置、不同时间段各通信信道负载与均衡控制、运行时物联网信息可靠性验证、故障检测及诊断日志等功能。智能网关软件设计如图5所示。
3.2中间件设计
物联网的中间件是处在物联网感知层和传输层之间的一种中间件系统，它起到一个中介的作用，屏蔽前端硬件的复杂性，并把采集到的数据送到后端的应用系统[17].在后台应用系统和读写器之间，通过设置一个通用接口和平台，实现每个应用环境的标准化和各应用系统之间的通信，该通用接口和平台即医疗设备物联网中间件。中间件捕获实时信息和事件，并将其传输至后台应用数据库系统或RFID读写器，从而实现RFID读写器与后台数据库系统之间的信息交互[16].医疗设备物联网中间件是RFID读写器与信息系统之间的纽带，采用标准协议和接口技术。开发医疗设备管理中间件要遵守医院物联网应用服务的要求与标准，以实现RFID读写器与各应用系统之间的标准化数据传输[18].
RFID读写器读取各种数据信息，通过中间件提取、解密、过滤、格式转换、导入信息平台的系统，实时反映设备的状态，并通过应用系统响应于程序界面，供用户浏览、选择、修改、查询[19].中间件系统的软件结构主要由系统管理服务器和数据采集组成，如图6所示。
3.3基于物联网的医疗设备管理平台设计
基于物联网的医疗设备管理服务平台对感知信息进行采集、汇聚、分析和处理，主要包括用户管理、设备参数维护、信息与图形操作、综合分析、日常管理、数据采集、信息数据分析等；主要针对医疗设备感知信息进行自动化采集、全面化汇聚、全局化分析，为医疗设备管理者和工程技术人员提供设备运行的技术状态、使用情况、运行维护等实时信息，解决操作管理层、决策层等不同层次应用人员的实际要求。系统平台按照功能和关系可以分为4层：数据库、数据库访问层、业务逻辑层、应用层。其中，数据库访问层是数据层和业务逻辑层之间的桥梁，它包括数据的采集和存储、终端设备和通信网络的实时数据采集和数据格式的转换以及为相应的数据类型提供相应的数据支持。业务逻辑层包括用户管理、数据的相关操作，功能模块组件和Savant模块。Savant模块作为数据终端和系统应用的中间件，提供ONS、EPC等功能。应用层则提供各种应用程序的接口，实现具体的管理功能。系统具体的层次结构关系如图7所示。
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