基于WLAN网络的智慧医院物联网解决方案

　　针对医院信息化发展趋势，提出了一种智慧医院物联网解决方案，采用WLAN网络实现数据传输，引入物联网应用中间件平台实现物联网应用部署的规范化和标准化，避免医院信息化建设过程中基础设施重复建设和信息孤岛。文章首先介绍了智慧医院物联网应用整体架构，阐述了RFID标签、WiFi标签的关联对象，实施流程和安全体制;其次阐述了物联网中间件平台的实现框图，讨论了关键模块实现和数据流程;再次给出了基于物联网中间件平台的医院典型应用系统，阐述了各子系统的实现方式和功能;最后给出系统的部署方式。系统已试点应用成功，进一步优化完善后，可规模推广使用。

　　1. 引言

　　物联网通过传感技术，把现实世界的人与人、人与物、物与物进行关联，通过网络进行信号传输，通过平台软件对这些关联信号进行处理、控制、挖掘、分析，最后得出我们所需要的信息。将物联网技术应用到医院行业，可方便解决医院资产的可视化管理，例如资产在哪里、当前状态如何、当前情形如何、使用过程如何等问题。通过医院资产可视化管理系统，优化医院工作流程、缩减日常运营成本、提升医院工作效率和提高医护安全。

　　医院资产包含患者、医生、护士、护工、医疗器械、医疗药品、医疗设备、医疗场所、医疗垃圾等。通过给医院资产佩戴对应的标签产品，实现后台可视化管理资产的状态，分析资产的使用效率和工作效率。标签分为RFID标签、WiFi标签、RFID+WiFi标签、WiFi+传感器和RFID+WiFi+传感器等种类。扫描RFID标签，查看与资产有关的基本信息，与HIS系统对接，提高业务工作效率。传感器检测环境温湿度、患者生命体特征、紧急呼叫按键，将数据通过WiFi网络回传到后台管理系统，实现远程监测。可根据需要实现反向控制。

　　随着物联网技术在医院的不断推进和深入，基于RFID、WiFi、条码等传感技术的资产管理和简单应用已经开始实施。各个子系统独立建设逐渐构成应用信息孤岛，将来为了实现数据融合、需要对这些物联网子系统进行数据、流程、报表整合集成。由于物联网子系统开发平台不同，软件版本不同、接口规范不同，厂商不同，整合集成将是非常复杂麻烦的任务。各子系统的建设也会引起基础设施重复建设，造成资源浪费。这可是医院信息处领导同事不愿意看到的结果。为了解决这个问题，需要医院信息化主管领导从长远考虑，搭建医院物联网应用信息化平台，做到统一规划，分阶段实施。

　　本文提出一种医院物联网应用信息化平台实现方案，引入医院物联网应用中间件平台实现物联网数据的统一部署和管理。平台对外提供标准接口，方便与上层应用软件数据融合，方便与医院现有信息化系统的数据融合。基于这个平台架构，当需要扩展新的物联网应用时，只需根据新应用业务流程开发上层应用软件即可，有关标签的分配、关联、事件设置、预警设置、地图设置、权限设置等工作在物联网应用中间件平台上进行点击操作即可。这种实施架构实现了医院物联网应用的数据融合共享，消除了各子系统之间的信息孤岛问题，方便信息处同事平台维护和管理。

　　2. 系统实现架构

　　图1给出了医院物联网应用系统体系架构图，分为对象、数据采集、网络传输和软件应用四部分，其中应用软件包含物联网中间件软件和功能应用软件2个部分。

　　图1 医院物联网应用系统体系架构

　　应用对象：包括医生、护士、护工、重点关注患者、婴幼儿、医疗器械、医疗设备、医疗垃圾、车辆、药品存放室、疫苗存放场所、血液存放场所等存在管理需求的资产。

　　数据采集层：体现了物联网应用的技术特点。不同于互联网应用，物联网应用需要标签与应用对象关联，通过数据采集终端获取应用对象的信息数据，比如人员位置、行径轨迹、设备维修记录、医疗垃圾处理流程、环境温湿度、患者生命特征数据等。对于无源标签，需要通过固定阅读器/手持终端进行扫描，读取数据;对于有源标签，标签定期主动发射信号，信号内包含传感器检测数据。

　　网络传输层：实现数据传输。在医院行业采用WLAN网络。在需要管理的区域部署WiFi无线路由器。无线路由器接收标签阅读器、手持终端、有源标签发送的数据，根据协议要求将数据转发给物联网应用中间件平台。无线路由器要求配置支持数据、语音、视频、定位等多种业务数据并发，至少配置2个SSID，且引入WAPI认证机制。只有拥有本系统合法数字证书的标签、阅读器、手持终端等产品才允许接入网络，传输数据，以保证医院WiFi覆盖的安全可靠。

　　应用层：包含医院物联网应用中间件软件和根据业务流程开发的功能应用软件。中间件软件负责医院物联网应用的基础管理，包含标签管理、人员管理、部门管理、权限管理、地图管理、事件管理、安全管理、定位管理、报表管理等。功能应用软件包含特殊患者定位管理、婴儿安全管理、重点患者紧急呼叫管理、危重患者防摔管理、医护人员紧急呼叫管理、环境温湿度监测、重点患者生命体特征监测、医疗物资/设备全生命周期管理、医疗垃圾管理等。

　　公共技术：贯穿系统整个架构体系，包含系统标识、管理和数据安全。不同层采用不同的安全措施。针对应用对象，每个标签、任务、动作、事件都有自己的标识。标识按对象进行分级管理。

　　系统工作流程为：

　　(1) 标签通过阅读器、主动向无线路由器发送数据包。数据包包含传感器监测数据。有关标签数据发送的格式、频率事先通过物联网应用中间件平台进行配置。

　　(2) 无线路由器工作在瘦AP模式下，根据认证机制对具有权限的标签数据进行转发。根据约定的协议，无线路由器将数据转发给医院物联网应用中间件平台。

　　(3) 医院物联网应用中间件平台对数据进行拆包、分析，根据预先配置的权限存入数据库。中间件平台中的定位管理模块需要接收来3个以上无线路由器基站转发来的标签数据包，根据数据包中信号强度通过调用定位算法，计算出该标签所处位置，并在地图上显示。为了提高定位精度，系统采用RSSI+地图匹配的定位算法，定位精度可达1-3米。

　　(4) 应用软件调用业务流程与中间件平台通信交互数据，将监测数据实时显示在软件界面上。支持二维地图显示和三维地图显示。当发生事件预警时，应用软件界面提示，支持界面红色标注和声音提示。应用软件支持按权限进行查看管理。

　　3. 医院物联网应用中间件平台结构

　　医院物联网应用中间件平台是系统核心所在，其实现数据采集、传输、显示、预警、管理于一体，实现数据转化和标准化。向下与硬件传感器，向上与应用层软件，平行与医院现有信息化系统接口。医院物联网应用中间件在医院物联网应用中起到中介作用，屏蔽前端硬件的复杂性，把采集的数据标准化后发送到后端IT系统。下一步，针对医院行业的物联网应用大数据挖掘和分析将从本平台导出数据。

　　物联网应用中间件系统运行在Windows Server服务器上。为了便于集中管理和远程控制，系统基于BS架构开发，支持远程web访问。图2给出系统实现结构框图，分为数据库、定位网关、基础服务、数据管理、数据应用统、集成接口等6个模块。

　　(1) 数据库

　　采用Windows SQL 2008标准版，保存系统数据参数，包含标签上传数据、定位网关解算数据、数据管理模块设置数据。

　　(2) 定位网关

　　接收WiFi标签转发的定位信号，调用定位算法。根据地图的参考坐标解算标签位置。

　　(3) 基础服务

　　实现对地图、报表、工作流引擎调用处理。

　　(4) 数据管理

　　包含标签管理、人员管理、事件管理、地图管理、定位管理、安全管理、统计报表管理等模块功能。

　　标签管理主要标签录入和删除。系统只监控数据库中处于使能状态的标签。

　　人员管理完成人员名单录入和删除，将人员与标签关联，同时对人员活动分区、活动时间范围进行约束。

　　事件管理设置报警事件。每个报警事件的设置要求具体到人员名称、区域名称、时间范围和优先级。

　　地图管理导入地图和删除地图，对地图进行分区和标注。

　　安全管理设置系统管理员登录账号。

　　统计报表对资产关联数据按时间段、日、周、部门、资产名称等关键字形成报表。

　　图2 医院物联网应用中间件平台结构图

　　(5) 数据应用

　　包含资产检索、报警事件查询、统计报表、系统管理等模块。属于web应用界面，方便管理员对中间件平台进行日常维护管理。

　　根据资产名称、时间范围查询数据库，获得资产在指定时间范围内的行径路线，以可视化方式向用户展示，并在地图上绘制行径路线。

　　以列表方式记录标签报警事件。一个报警事件要求包含资产信息、标签信息、触发时间、触发地点、当前处理状态等数据。支持按资产名、按标签ID、按地点、按时间段等字段进行查询。

　　(6)集成接口

　　设计了API和EVENT 两种接口模式，其中EVENT属于高优先级事件接口。

　　API以lib库的方式提供，集成到第3方软件中。调用API即可访问物联网应用中间件系统中资源。Lib库封装包含数据管理模块中所有对象API函数。

　　EVENT主动向第3方软件平台发送消息包以实现联动，支持基于标准的HTTP Post、Web Service和Mail三种模式。

　　考虑到将来大容量运行，分布式部署。将图2所示系统分成3个子系统。这3个子系统独立设计开发，各子系统间利用标准接口进行通信。数据库选择，无需开发，直接安装即可;定位网关按子系统模式设计开发;基础服务模块、数据管理模块、数据应用模块和集成接口模块按1个子系统模式设计开发。这种架构最大优势是便于系统将来灵活部署。可以将3个子系统安装到3台服务器上运行，也可以将3个系统安装到1台服务器上运行。这主要取决于系统需要管辖的标签数量规模。

　　4. 系统功能

　　医院资产可视化管理方案构建在医院物联网应用中间件平台之上，围绕WiFi定位技术，提供以下功能应用：

　　(1)特殊病人安全管理

　　给特殊病人(VIP患者、精神病患者、传染病患者、老人、婴幼儿)佩戴标签产品，通过RFID标签实时定位人员位置，记录人员活动轨迹。当传染病患者、婴幼儿、精神病等重点监护患者离开本病区/进入非授权病区时，系统自动报警提示。当监测到的生命体特征数据超警戒时，系统自动报警提示。当老人摔倒时，具备加速度监测能力的标签触发摔倒事件，系统自动报警。报警事件触发后，系统显示资产名称、报警类别、报警时间、当前位置，同时联动视频监控系统，调用当前画面。

　　VIP患者佩戴具备呼叫功能的RFID标签，患者在医院任何位置遇到紧急情况时，可按下标签上的按钮实现移动呼叫，而不像以前只能在床边呼叫。系统收到呼叫报警后，锁定患者呼叫区域，联动视频图像，查看现场情况。

　　护士扫描患者RFID腕带识别患者身份，查询患者基本信息。

　　(2)医护人员安全管理管理

　　给医护人员、护工佩戴具备呼叫功能的标签产品，在医院任何位置遇到突发事件时，医护人员轻触标签上的按钮便可实现呼叫求助，系统自动报警，锁定医护人员呼叫区域，联动视频图像，查看现场情况。当发生急救事件时，护士也可通过平台查找医生当前位置，快速找到医生。

　　(3)医疗设备管理系统

　　通过物联网技术，对医院现有资产管理系统进行升级改进，实现医疗资产全生命周期管理。内容包含资产申购、资产分配、资产维护、资产盘点、资产跟踪、统计报表等部分，实现资产可视化管理，避免资产实物与财务账面信息对称的问题。管理人员通过软件平台实时查看资产基本信息、当前位置，数量、保养计划等;通过手持终端扫描资产标签进行资产盘点和查询资产保养记录。当资产不在预定位置时，管理员通过录入资产名称，可查到资产当前位置，搬运轨迹。当资产需要保养时，系统自动报警提示。

　　跟踪资产设备的移动状况，统计资产的使用效率。

　　(4)冷藏、冷冻环境监测系统

　　给药品、血库、疫苗存放处、消毒器械存放处等冷藏、冷冻环境安装具备环境参数监测的RFID标签，通过系统设定环境参数门限值。标签主动发射监测数据，系统界面实时显示监测环境的数据。当发生存放环境参数变化超门限值时，系统立即报警，省去了人工定时现场记录，提高工作效率。

　　环境实时在线监测应用保障医药存放环境满足要求，避免由于环境参数变化导致的问题频发。

　　(5)医疗药品、器械、垃圾追踪管理

　　给药品、器械、垃圾等医疗器材安装RFID标签，标签与医疗器材关联，系统实时记录医疗器材的行径路线，操作过程，运行时间、保证医疗器材在收发、消毒、中转、运输等过程按规定的流程执行。当执行过程没按规范流程操作时，系统自动报警。当医疗器材超出授权工作范围时，系统报警。管理人员可根据报警记录，追踪整个管理过程，发现问题所在。

　　5. 系统部署与实施

　　5.1 基础设施部署

　　系统通过WLAN网络传输数据，相比于有源RFID和Zigbee技术，WLAN具有高带宽、高实时性的特点，同时支持语音、数据、视频的传输，可有效满足移动医护、远程探视、语音呼叫、远程医疗等业务需求，因此WLAN技术已逐渐进入医院，并且会快速发展起来。所以本方案基于WLAN网络设计。对于已经部署WLAN网络的医院，本系统可直接复用，避免基础设施重建。医院物联网应用管理平台支持WLAN AP工作在FAT模式和FIT模式。除了部署WLAN设备外，系统需要根据定位精度要求部署触发器。触发器满足0.5米精确定位，主要用于区分病床、病房和病区。图3给出了系统基础设备部署网络架构图。

　　图3 医院物联网应用管理系统基础设施部署架构图

　　网络安全包括用户认证、权限控制管理、数据加密、物理隔离等几个方面。为了保障医院WLAN网络的安全性，建设的WLAN网络需开启WAPI认证机制。进一步可集成H3C的EAD终端准入控制系统，实现了标签用户身份认证，网络安全认证和终端高效管理。

　　5.2 标签佩戴方式

　　医院物联网应用标签包含2类：无源RFID标签，其通过RFID阅读器将资产数据采集到医院物联网应用中间件平台。有源WiFi标签，其主动将传感器数据采集到医院物联网应用中间件平台。标签关联资产不同，佩戴方式不同：

　　² 医生护士的移动紧急呼叫标签，采用胸牌挂式，方便医护人员操作。平时，医护人员可把标签放在工作服上衣口袋。

　　² 患者的标签，采用腕带式、胸牌式。对于需要监测患者生命特征的标签视具体情况而定。患者标签一定集成RFID+WiFi，方便近距离识别和远距离识别。

　　² 医疗设备的标签，采用粘贴方式或捆绑方式。对于小型设备建议采用粘贴方式;对于中大型设备建议采用捆绑方式。设备较大，可选的标签也比较大，固定在设备上容易发现。

　　² 医疗器械的标签，采用粘贴方式或内嵌方式。

　　² 医疗废弃物的标签，采用打印或粘贴方式。每个医疗垃圾袋事先打印上RFID标签或者粘贴上标签。

　　² 环境监测的标签，放置到监测环境场所内，有些标签还需要使用探针以保证监测数据的准确性。

　　无论无源标签还是有源标签，标签在分发之前需要与资产进行关联。关联操作在物联网应用中间件系统上执行。每个标签需要关联到资产、设置所属部门、预置事件、活动范围等操作。医院物联网应用中间件平台支持与医院HIS互通。护士手持终端扫描患者标签可立即调用该患者的基本信息和治疗过程记录。通过输入资产名称，可立即查询到资产当前位置、活动轨迹、监测数据等。

　　5.3 应用平台部署

　　医院物联网应用解决方案支持集中式部署和分布式部署，实现病房、科室、医院3层部署管理方式。集中式部署和分布式部署主要差异在与定位引擎服务器的部署。集中部署采用1台定位引擎，定位引擎数据通过实现约定的接口转发给物联网应用中间件平台;分布式部署采用多台定位引擎，定位引擎服务器数据通过实现约定的接口分别转发给物联网应用中间件平台。分部署部署主要用于分散系统工作并发负载，提高工作实时性。

　　图4 医院物联网应用管理系统平台部署拓扑图

　　第1层为病房级管理(楼层)：授权人员管理下属患者、医护人员、重要器械、环境问湿度监测等，完成权限内提供的功能操作。主要授权给病区护士。

　　第2层为科室级管理：授权人员管理下属患者、医护人员、重要器械、环境温湿度监测等，完成权限内提供的功能操作。主要授权给科室主任。

　　第3层为医院整体管理：授权人员管理本区域内的患者、医护人员、设备、监控温湿度等，完成权限内提供的功能操作。本层管理员可管理医院的公共区域，比如垃圾中转站、医院大门、门诊大楼进出口、检验化验区等。主要授权给信息科负责人、医院主管领导。

　　基于系统部署架构，给医护人员配置移动终端，采用先进的安全链路加密技术，实现在医院任何场合、任何时间的移动可视化管理，满足动态随身行应用需求。

　　6. 结论

　　物联网作为一项新兴的，前沿的技术，目前在国内外还没有大规模应用的先例，主要原因是在业务发展过程中存在标准不统一、应用成本较高等一些问题。但随着技术的不断成熟，标准化工作不断完善，这些问题将会逐渐有效地解决。

　　本文给出了一种医院物联网应用整体解决方案，介绍了方案体系架构和实施部署。医院物联网建设是一个长期不断完善的过程，需要长远规划、统一标准、统一指挥、分阶段实施。本文提出的医院物联网应用中间件平台负责标签管理、资产管理、地图管理、流程管理、系统管理等基础功能，方便下一步应用扩展。当需要增加人员定位管理应用时，只需开发顶层应用即可，有关标签的分发、关联、权限等设置在中间件平台操作即可;当需要增加药品流通管理应用时，只需开发顶层应用即可，有关标签的分发、关联、权限等设置在中间件平台操作即可。医院物联网应用中间件平台大大提高医院开发部署物联网应用系统的进度，缩短项目周期，同时规范标准化的接口方便与HIS、PACS、CIS、EMR等医院信息化系统互通。