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智慧医院

  一、物联网智慧医院概念的提出

    现代医院规模庞大,每天面对大量的患者,要完成大量的临床医疗、门诊、治疗、检验、手术、药品分发、护理,乃至教学、科研、行政管理等各类业务,工作量十分繁重。上述业务大多分布在门诊楼、病房楼、行政机构、药房、检验科室、物资仓库、科研部门之间。不同部门、不同建筑物之间乃至同一建筑物不同部分、不同楼层之间的通信和管理就构成了突出的问题。现代医院管理还要求实现贵重医疗设备,贵重物资、危险性物资(放射源)等的全程跟踪,以及对重要医疗过程的实时监控、追踪和追溯。所有这些都对通信和管理质量提出了很高的要求。

    近年来,以通信网络、计算机技术和嵌入式系统等为基础的物联网产业正在迅速地改变我们的生活与工作方式。 将物联网技术应用于医院管理,可以实现医院管理的现代化,提高医院的运行效率,对设备和物资进行追踪、及时盘点,对重要医疗过程追踪溯源,减少各种事故发生的概率,节约大量的管理资源投入。

    为解决上述问题,本公司采用由先进的光载无线网络、传感技术、现场总线技术及软件技术所构建的医院物联网系统,解决上述问题。

二、物联网智慧医院总体框架 

    医院通信及控制系统由三部分组成,包括用于数据采集的传感网络、用于数据传输的光载无线网络以及用于数据处理与分析的应用平台。它们分别对应于物联网架构中的感知层、网络层和应用层。

    在系统感知层,传感器网络与远端控制子系统遵从主从网络拓扑架构,通过各种不同类型的传感器和控制器协同工作,采集医院日常运行当中不同部门、不同业务流程中的关键数据,实现对临床医疗、门诊、治疗、检验、手术、药品分发、护理、教学、科研、行政管理,以及贵重医疗器械、贵重和危险性材料以及重要医疗过程的自动化跟踪管理。传感器网络和远端控制子系统由终端设备和无线网关组成,工作在2.4 GHz和433 MHz的免执照载波频道,分别采用国际标准的Zigbee网络和无线Modbus现场总线技术,并通过WiFi网关实现与上层WiFi光载无线网络的互联互通。光载无线通信是一种用于传输射频信号的模拟光通信技术,目前其最主要应用是构建低损耗、多制式、大范围覆盖的远端分布天线系统。由于主要的部件及管理软件集中于控制端,光载无线系统能显着降低接入点的复杂度,是实现异构网络间的融合、协同和集中管控的理想媒介。在系统的网络层,由四组WiFi接入点组成的冗余式WiFi光载无线交换机、模拟光纤链路、远端射频单元共同构成光载无线网络,提供医院业务管理应用的整体网络环境,负责终端数据的传输与分布。所使用的传输光纤采用标准的1550 nm低损耗光纤,可实现5公里范围内的WiFi信号的传输与分布,通常说来,这足以覆盖常规三甲医院的院区管理范围。

   远端天线单元包括一对模拟光发射机和接收机模块,基本控制电路和辐射天线等。应用层包括数据资源池、管理软件、操作系统和网络应用软件。在操作系统管理下,网络应用软件协助基带信号处理器和WiFi单元完成通信协议处理、基带信号处理、进行统一的数据资源监测与设备管理、认证控制及安全策略、资源配置等。作为主流服务软件,医院管理的远端监测与控制采用Web远端遥控方式。它由Web服务器、 Web浏览器和嵌入式微处理器组成。作为终端设备监督与管理的Web服务器,其功能是通过HTTP网络协议和Web浏览器,建立远端遥控设备与控制终端的相互即时通信。目前,B/S结构模式已成为基于互联网的遥控和管理系统的主流结构方式。

   为了实现对医院日常管理参数的检测,我们采用Zigbee无线传感网络。多种类型的终端传感器模块分布在监测区域,将采集的各类数据,通过WiFi/Zigbee无线网关和光载无线网络传输到控制中心,使管理方能够直接获取各种运营数据。WiFi/Zigbee无线网关是全功能设备,在网络中起到汇聚节点的作用,承担网络协调器的功能,可与Zigbee网络中的任何终端传感器进行通信,同时完成Zigbee与WiFi之间的协议转换。而终端传感器是精简功能设备,根据特定的应用只需实现Zigbee的部分协议功能。由于其内部结构相对简单,只有极少消耗能量的内存,因此更容易实现低功耗电源供电的工作方式。

     在系统控制部分,我们采用Modbus无线现场总线技术。Modbus通信协议是一种应用于电子控制器上的通用语言,采用主从方式的组网形态。

三、光载无线网络

   与传统的数字光纤通信不同,光载无线通信是一种用于传输射频信号的模拟光通信技术。通过适当地调制模拟半导体激光器,无线信号能够直接转变成光信号,从而极大地简化了无线信号的传输与分布。由于光纤的低损耗、大带宽和极佳的抗电磁干扰特性,通过射频开关和光开关交换矩阵,光载无线网络能够实现WiFi和4G等无线信号的远距离混合传输与分布。

    物联网医院管理系统中采用光载无线交换机作为网络管理和信息汇聚交换的主节点,其主要功能是完成数据的汇聚、转发和分布。如下图所示,该设备由3个主要单元组成:光电转换单元,信号处理单元和射频与光交换单元。光电转换单元完成链路所要求的光电/电光信号的转换与处理。信号处理单元则完成相关数据与WiFi信号接口及所需要的信号传输与转换,保证信号满足所规范的网络协议以及提供射频与光开关所需要的控制信号。信号处理单元由4个WiFi信号源及网络处理单元组成。射频与光交换单元则提供完整的物理层交换功能,由矩阵开关和相应的管理软件组成。矩阵开关包括一个射频矩阵开关和一个光矩阵开关、相应的偶合器和分离器等硬体设备。在操作系统的管理下,管理软件进行统一的网络监控与故障侦测,完成WiFi信号源间的切换,实现网络架构动态管理及冗余备份。

四、平台软件系统

   应用层软件系统是物联网智慧医院信息系统的软件主体。主要由系统管理模块、数据管理模块、资源管理模块及上层应用软件等核心软件组成。系统管理软件提供医院各工作现场传感网络、控制网络以及光载无线网络的管理,主要包括网络配置、监控与维护所需要的软件资源等。数据与资源管理模块为整个医院运营环境等数据提供存储空间,同时完成数据的处理与分析,实现重要医疗过程的全程跟踪、传感设备与控制设备的常态化查控及运行状态的控制与管理。应用软件则向作业人员提供各种简单的软件应用服务以及人机交互接口,是物联网智慧医院平台的门户。其门户界面采用通用WEB服务器/浏览器的形式,将各种业务功能以统一的操作方式展现给作业人员,并根据不同的作业人员提供相应的接口、完成人员注册和登录验证等通用管理服务。

   通过平台的软件系统,用户既可以在医院控制中心,也可以在各种医疗业务现场使用台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、手机等各类终端设备监测医院运行中整体的或某个部门、某个业务环节的关键数据。根据医院业务的具体需求,该系统能够实时显示各传感器的相关数据,监测现实业务数据及环境情况,并自动生成走势图,实现数据实时查看、历史数据查询及控制信息的设置。同时,为方便医务流程的监测效果,本系统可实现多屏显示功能,便于多个监测点的同时监测。

   由Zigbee传感网采集的各类医院运行基础数据,通过WiFi光载无线网络传送给上层应用平台。数据与资源管理模块完成所需要的数据储存与处理,通过对历史数据的查询和以往医疗业务规律的分析,形成有效的控制决策指令,依靠人机交互界面将控制指令下行传输到系统控制节点,实现对医院业务运营的智能化管理。


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