[ 導讀 ] 針對醫院信息化發展趨勢，提出了一種智慧醫院物聯網解決方案，采用WLAN網絡實現數據傳輸，引入物聯網應用中間件平臺實現物聯網應用部署的規范化和標準化，避免醫院信息化建設過程中基礎設施重復建設和信息孤島。

　　1. 引言

 　　物聯網通過傳感技術，把現實世界的人與人、人與物、物與物進行關聯，通過網絡進行信號傳輸，通過平臺軟件對這些關聯信號進行處理、控制、挖掘、分析，最后得出我們所需要的信息。將物聯網技術應用到醫院行業，可方便解決醫院資產的可視化管理，例如資產在哪里、當前狀態如何、當前情形如何、使用過程如何等問題。通過醫院資產可視化管理系統，優化醫院工作流程、縮減日常運營成本、提升醫院工作效率和提高醫護安全。

 　　醫院資產包含患者、醫生、護士、護工、醫療器械、醫療藥品、醫療設備、醫療場所、醫療垃圾等。通過給醫院資產佩戴對應的標簽產品，實現后臺可視化管理資產的狀態，分析資產的使用效率和工作效率。標簽分為RFID標簽、WiFi標簽、RFID+WiFi標簽、WiFi+傳感器和RFID+WiFi+傳感器等種類。掃描RFID標簽，查看與資產有關的基本信息，與HIS系統對接，提高業務工作效率。傳感器檢測環境溫濕度、患者生命體特征、緊急呼叫按鍵，將數據通過WiFi網絡回傳到后臺管理系統，實現遠程監測。可根據需要實現反向控制。

 　　隨著物聯網技術在醫院的不斷推進和深入，基于RFID、WiFi、條碼等傳感技術的資產管理和簡單應用已經開始實施。各個子系統獨立建設逐漸構成應用信息孤島，將來為了實現數據融合、需要對這些物聯網子系統進行數據、流程、報表整合集成。由于物聯網子系統開發平臺不同，軟件版本不同、接口規范不同，廠商不同，整合集成將是非常復雜麻煩的任務。各子系統的建設也會引起基礎設施重復建設，造成資源浪費。這可是醫院信息處領導同事不愿意看到的結果。為了解決這個問題，需要醫院信息化主管領導從長遠考慮，搭建醫院物聯網應用信息化平臺，做到統一規劃，分階段實施。

 　　本文提出一種醫院物聯網應用信息化平臺實現方案，引入醫院物聯網應用中間件平臺實現物聯網數據的統一部署和管理。平臺對外提供標準接口，方便與上層應用軟件數據融合，方便與醫院現有信息化系統的數據融合。基于這個平臺架構，當需要擴展新的物聯網應用時，只需根據新應用業務流程開發上層應用軟件即可，有關標簽的分配、關聯、事件設置、預警設置、地圖設置、權限設置等工作在物聯網應用中間件平臺上進行點擊操作即可。這種實施架構實現了醫院物聯網應用的數據融合共享，消除了各子系統之間的信息孤島問題，方便信息處同事平臺維護和管理。

　　2. 系統實現架構

 　　圖1給出了醫院物聯網應用系統體系架構圖，分為對象、數據采集、網絡傳輸和軟件應用四部分，其中應用軟件包含物聯網中間件軟件和功能應用軟件2個部分。

圖1 醫院物聯網應用系統體系架構

 　　應用對象：包括醫生、護士、護工、重點關注患者、嬰幼兒、醫療器械、醫療設備、醫療垃圾、車輛、藥品存放室、疫苗存放場所、血液存放場所等存在管理需求的資產。

 　　數據采集層：體現了物聯網應用的技術特點。不同于互聯網應用，物聯網應用需要標簽與應用對象關聯，通過數據采集終端獲取應用對象的信息數據，比如人員位置、行徑軌跡、設備維修記錄、醫療垃圾處理流程、環境溫濕度、患者生命特征數據等。對于無源標簽，需要通過固定閱讀器/手持終端進行掃描，讀取數據;對于有源標簽，標簽定期主動發射信號，信號內包含傳感器檢測數據。

 　　網絡傳輸層：實現數據傳輸。在醫院行業采用WLAN網絡。在需要管理的區域部署WiFi無線路由器。無線路由器接收標簽閱讀器、手持終端、有源標簽發送的數據，根據協議要求將數據轉發給物聯網應用中間件平臺。無線路由器要求配置支持數據、語音、視頻、定位等多種業務數據并發，至少配置2個SSID，且引入WAPI認證機制。只有擁有本系統合法數字證書的標簽、閱讀器、手持終端等產品才允許接入網絡，傳輸數據，以保證醫院WiFi覆蓋的安全可靠。

 　　應用層：包含醫院物聯網應用中間件軟件和根據業務流程開發的功能應用軟件。中間件軟件負責醫院物聯網應用的基礎管理，包含標簽管理、人員管理、部門管理、權限管理、地圖管理、事件管理、安全管理、定位管理、報表管理等。功能應用軟件包含特殊患者定位管理、嬰兒安全管理、重點患者緊急呼叫管理、危重患者防摔管理、醫護人員緊急呼叫管理、環境溫濕度監測、重點患者生命體特征監測、醫療物資/設備全生命周期管理、醫療垃圾管理等。

 　　公共技術：貫穿系統整個架構體系，包含系統標識、管理和數據安全。不同層采用不同的安全措施。針對應用對象，每個標簽、任務、動作、事件都有自己的標識。標識按對象進行分級管理。

　　系統工作流程為：

 　　(1) 標簽通過閱讀器、主動向無線路由器發送數據包。數據包包含傳感器監測數據。有關標簽數據發送的格式、頻率事先通過物聯網應用中間件平臺進行配置。

 　　(2) 無線路由器工作在瘦AP模式下，根據認證機制對具有權限的標簽數據進行轉發。根據約定的協議，無線路由器將數據轉發給醫院物聯網應用中間件平臺。

 　　(3) 醫院物聯網應用中間件平臺對數據進行拆包、分析，根據預先配置的權限存入數據庫。中間件平臺中的定位管理模塊需要接收來3個以上無線路由器基站轉發來的標簽數據包，根據數據包中信號強度通過調用定位算法，計算出該標簽所處位置，并在地圖上顯示。為了提高定位精度，系統采用RSSI+地圖匹配的定位算法，定位精度可達1-3米。

 　　(4) 應用軟件調用業務流程與中間件平臺通信交互數據，將監測數據實時顯示在軟件界面上。支持二維地圖顯示和三維地圖顯示。當發生事件預警時，應用軟件界面提示，支持界面紅色標注和聲音提示。應用軟件支持按權限進行查看管理。

　　3. 醫院物聯網應用中間件平臺結構

 　　醫院物聯網應用中間件平臺是系統核心所在，其實現數據采集、傳輸、顯示、預警、管理于一體，實現數據轉化和標準化。向下與硬件傳感器，向上與應用層軟件，平行與醫院現有信息化系統接口。醫院物聯網應用中間件在醫院物聯網應用中起到中介作用，屏蔽前端硬件的復雜性，把采集的數據標準化后發送到后端IT系統。下一步，針對醫院行業的物聯網應用大數據挖掘和分析將從本平臺導出數據。

 　　物聯網應用中間件系統運行在Windows Server服務器上。為了便于集中管理和遠程控制，系統基于BS架構開發，支持遠程web訪問。圖2給出系統實現結構框圖，分為數據庫、定位網關、基礎服務、數據管理、數據應用統、集成接口等6個模塊。

　　(1) 數據庫

 　　采用Windows SQL 2008標準版，保存系統數據參數，包含標簽上傳數據、定位網關解算數據、數據管理模塊設置數據。

　　(2) 定位網關

　　接收WiFi標簽轉發的定位信號，調用定位算法。根據地圖的參考坐標解算標簽位置。

　　(3) 基礎服務

　　實現對地圖、報表、工作流引擎調用處理。

　　(4) 數據管理

 　　包含標簽管理、人員管理、事件管理、地圖管理、定位管理、安全管理、統計報表管理等模塊功能。

　　標簽管理主要標簽錄入和刪除。系統只監控數據庫中處于使能狀態的標簽。

 　　人員管理完成人員名單錄入和刪除，將人員與標簽關聯，同時對人員活動分區、活動時間范圍進行約束。

 　　事件管理設置報警事件。每個報警事件的設置要求具體到人員名稱、區域名稱、時間范圍和優先級。

　　地圖管理導入地圖和刪除地圖，對地圖進行分區和標注。

　　安全管理設置系統管理員登錄賬號。

　　統計報表對資產關聯數據按時間段、日、周、部門、資產名稱等關鍵字形成報表。

圖2 醫院物聯網應用中間件平臺結構圖

　　(5) 數據應用

 　　包含資產檢索、報警事件查詢、統計報表、系統管理等模塊。屬于web應用界面，方便管理員對中間件平臺進行日常維護管理。

 　　根據資產名稱、時間范圍查詢數據庫，獲得資產在指定時間范圍內的行徑路線，以可視化方式向用戶展示，并在地圖上繪制行徑路線。

 　　以列表方式記錄標簽報警事件。一個報警事件要求包含資產信息、標簽信息、觸發時間、觸發地點、當前處理狀態等數據。支持按資產名、按標簽ID、按地點、按時間段等字段進行查詢。

　　(6)集成接口

　　設計了API和EVENT 兩種接口模式，其中EVENT屬于高優先級事件接口。

 　　API以lib庫的方式提供，集成到第3方軟件中。調用API即可訪問物聯網應用中間件系統中資源。Lib庫封裝包含數據管理模塊中所有對象API函數。

 　　EVENT主動向第3方軟件平臺發送消息包以實現聯動，支持基于標準的HTTP Post、Web Service和Mail三種模式。

 　　考慮到將來大容量運行，分布式部署。將圖2所示系統分成3個子系統。這3個子系統獨立設計開發，各子系統間利用標準接口進行通信。數據庫選擇，無需開發，直接安裝即可;定位網關按子系統模式設計開發;基礎服務模塊、數據管理模塊、數據應用模塊和集成接口模塊按1個子系統模式設計開發。這種架構最大優勢是便于系統將來靈活部署。可以將3個子系統安裝到3臺服務器上運行，也可以將3個系統安裝到1臺服務器上運行。這主要取決于系統需要管轄的標簽數量規模。

　　4. 系統功能

 　　醫院資產可視化管理方案構建在醫院物聯網應用中間件平臺之上，圍繞WiFi定位技術，提供以下功能應用：

　　(1)特殊病人安全管理

 　　給特殊病人(VIP患者、精神病患者、傳染病患者、老人、嬰幼兒)佩戴標簽產品，通過RFID標簽實時定位人員位置，記錄人員活動軌跡。當傳染病患者、嬰幼兒、精神病等重點監護患者離開本病區/進入非授權病區時，系統自動報警提示。當監測到的生命體特征數據超警戒時，系統自動報警提示。當老人摔倒時，具備加速度監測能力的標簽觸發摔倒事件，系統自動報警。報警事件觸發后，系統顯示資產名稱、報警類別、報警時間、當前位置，同時聯動視頻監控系統，調用當前畫面。

 　　VIP患者佩戴具備呼叫功能的RFID標簽，患者在醫院任何位置遇到緊急情況時，可按下標簽上的按鈕實現移動呼叫，而不像以前只能在床邊呼叫。系統收到呼叫報警后，鎖定患者呼叫區域，聯動視頻圖像，查看現場情況。

　　護士掃描患者RFID腕帶識別患者身份，查詢患者基本信息。

　　(2)醫護人員安全管理管理

 　　給醫護人員、護工佩戴具備呼叫功能的標簽產品，在醫院任何位置遇到突發事件時，醫護人員輕觸標簽上的按鈕便可實現呼叫求助，系統自動報警，鎖定醫護人員呼叫區域，聯動視頻圖像，查看現場情況。當發生急救事件時，護士也可通過平臺查找醫生當前位置，快速找到醫生。

　　(3)醫療設備管理系統

 　　通過物聯網技術，對醫院現有資產管理系統進行升級改進，實現醫療資產全生命周期管理。內容包含資產申購、資產分配、資產維護、資產盤點、資產跟蹤、統計報表等部分，實現資產可視化管理，避免資產實物與財務賬面信息對稱的問題。管理人員通過軟件平臺實時查看資產基本信息、當前位置，數量、保養計劃等;通過手持終端掃描資產標簽進行資產盤點和查詢資產保養記錄。當資產不在預定位置時，管理員通過錄入資產名稱，可查到資產當前位置，搬運軌跡。當資產需要保養時，系統自動報警提示。

　　跟蹤資產設備的移動狀況，統計資產的使用效率。

　　(4)冷藏、冷凍環境監測系統

 　　給藥品、血庫、疫苗存放處、消毒器械存放處等冷藏、冷凍環境安裝具備環境參數監測的RFID標簽，通過系統設定環境參數門限值。標簽主動發射監測數據，系統界面實時顯示監測環境的數據。當發生存放環境參數變化超門限值時，系統立即報警，省去了人工定時現場記錄，提高工作效率。

　　環境實時在線監測應用保障醫藥存放環境滿足要求，避免由于環境參數變化導致的問題頻發。

　　(5)醫療藥品、器械、垃圾追蹤管理

 　　給藥品、器械、垃圾等醫療器材安裝RFID標簽，標簽與醫療器材關聯，系統實時記錄醫療器材的行徑路線，操作過程，運行時間、保證醫療器材在收發、消毒、中轉、運輸等過程按規定的流程執行。當執行過程沒按規范流程操作時，系統自動報警。當醫療器材超出授權工作范圍時，系統報警。管理人員可根據報警記錄，追蹤整個管理過程，發現問題所在。

　　5. 系統部署與實施

　　5.1 基礎設施部署

 　　系統通過WLAN網絡傳輸數據，相比于有源RFID和Zigbee技術，WLAN具有高帶寬、高實時性的特點，同時支持語音、數據、視頻的傳輸，可有效滿足移動醫護、遠程探視、語音呼叫、遠程醫療等業務需求，因此WLAN技術已逐漸進入醫院，并且會快速發展起來。所以本方案基于WLAN網絡設計。對于已經部署WLAN網絡的醫院，本系統可直接復用，避免基礎設施重建。醫院物聯網應用管理平臺支持WLAN AP工作在FAT模式和FIT模式。除了部署WLAN設備外，系統需要根據定位精度要求部署觸發器。觸發器滿足0.5米精確定位，主要用于區分病床、病房和病區。圖3給出了系統基礎設備部署網絡架構圖。

圖3 醫院物聯網應用管理系統基礎設施部署架構圖

 　　網絡安全包括用戶認證、權限控制管理、數據加密、物理隔離等幾個方面。為了保障醫院WLAN網絡的安全性，建設的WLAN網絡需開啟WAPI認證機制。進一步可集成H3C的EAD終端準入控制系統，實現了標簽用戶身份認證，網絡安全認證和終端高效管理。

　　5.2 標簽佩戴方式

 　　醫院物聯網應用標簽包含2類：無源RFID標簽，其通過RFID閱讀器將資產數據采集到醫院物聯網應用中間件平臺。有源WiFi標簽，其主動將傳感器數據采集到醫院物聯網應用中間件平臺。標簽關聯資產不同，佩戴方式不同：

 　　² 醫生護士的移動緊急呼叫標簽，采用胸牌掛式，方便醫護人員操作。平時，醫護人員可把標簽放在工作服上衣口袋。

 　　² 患者的標簽，采用腕帶式、胸牌式。對于需要監測患者生命特征的標簽視具體情況而定。患者標簽一定集成RFID+WiFi，方便近距離識別和遠距離識別。

 　　² 醫療設備的標簽，采用粘貼方式或捆綁方式。對于小型設備建議采用粘貼方式;對于中大型設備建議采用捆綁方式。設備較大，可選的標簽也比較大，固定在設備上容易發現。

　　² 醫療器械的標簽，采用粘貼方式或內嵌方式。

 　　² 醫療廢棄物的標簽，采用打印或粘貼方式。每個醫療垃圾袋事先打印上RFID標簽或者粘貼上標簽。

 　　² 環境監測的標簽，放置到監測環境場所內，有些標簽還需要使用探針以保證監測數據的準確性。

 　　無論無源標簽還是有源標簽，標簽在分發之前需要與資產進行關聯。關聯操作在物聯網應用中間件系統上執行。每個標簽需要關聯到資產、設置所屬部門、預置事件、活動范圍等操作。醫院物聯網應用中間件平臺支持與醫院HIS互通。護士手持終端掃描患者標簽可立即調用該患者的基本信息和治療過程記錄。通過輸入資產名稱，可立即查詢到資產當前位置、活動軌跡、監測數據等。

　　5.3 應用平臺部署

 　　醫院物聯網應用解決方案支持集中式部署和分布式部署，實現病房、科室、醫院3層部署管理方式。集中式部署和分布式部署主要差異在與定位引擎服務器的部署。集中部署采用1臺定位引擎，定位引擎數據通過實現約定的接口轉發給物聯網應用中間件平臺;分布式部署采用多臺定位引擎，定位引擎服務器數據通過實現約定的接口分別轉發給物聯網應用中間件平臺。分部署部署主要用于分散系統工作并發負載，提高工作實時性。

圖4 醫院物聯網應用管理系統平臺部署拓撲圖

 　　第1層為病房級管理(樓層)：授權人員管理下屬患者、醫護人員、重要器械、環境問濕度監測等，完成權限內提供的功能操作。主要授權給病區護士。

 　　第2層為科室級管理：授權人員管理下屬患者、醫護人員、重要器械、環境溫濕度監測等，完成權限內提供的功能操作。主要授權給科室主任。

 　　第3層為醫院整體管理：授權人員管理本區域內的患者、醫護人員、設備、監控溫濕度等，完成權限內提供的功能操作。本層管理員可管理醫院的公共區域，比如垃圾中轉站、醫院大門、門診大樓進出口、檢驗化驗區等。主要授權給信息科負責人、醫院   管領導。

 　　基于系統部署架構，給醫護人員配置移動終端，采用先進的安全鏈路加密技術，實現在醫院任何場合、任何時間的移動可視化管理，滿足動態隨身行應用需求。

　　6. 結論

 　　物聯網作為一項新興的，前沿的技術，目前在國內外還沒有大規模應用的先例，主要原因是在業務發展過程中存在標準不統一、應用成本較高等一些問題。但隨著技術的不斷成熟，標準化工作不斷完善，這些問題將會逐漸有效地解決。

 　　本文給出了一種醫院物聯網應用整體解決方案，介紹了方案體系架構和實施部署。醫院物聯網建設是一個長期不斷完善的過程，需要長遠規劃、統一標準、統一指揮、分階段實施。本文提出的醫院物聯網應用中間件平臺負責標簽管理、資產管理、地圖管理、流程管理、系統管理等基礎功能，方便下一步應用擴展。當需要增加人員定位管理應用時，只需開發頂層應用即可，有關標簽的分發、關聯、權限等設置在中間件平臺操作即可;當需要增加藥品流通管理應用時，只需開發頂層應用即可，有關標簽的分發、關聯、權限等設置在中間件平臺操作即可。醫院物聯網應用中間件平臺大大提高醫院開發部署物聯網應用系統的進度，縮短項目周期，同時規范標準化的接口方便與HIS、PACS、CIS、EMR等醫院信息化系統互通。

 

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