[摘要] 目的：針對傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)電子信息化方面的不足，設(shè)計(jì)一種新的基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)，以提高醫(yī)院對醫(yī)療設(shè)備的管理效率。方法：引入自組網(wǎng)和云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各個管理系統(tǒng)模塊之間快速無縫鏈接，并提供完善的操作手冊和設(shè)備狀態(tài)等信息。結(jié)果：該系統(tǒng)采用了新型監(jiān)控和無線組網(wǎng)技術(shù)，具有監(jiān)控醫(yī)院所有醫(yī)療儀器設(shè)備的運(yùn)行狀況，并記錄和統(tǒng)計(jì)各種運(yùn)行信息，實(shí)現(xiàn)對醫(yī)院所有醫(yī)療儀器設(shè)備的管理、跟蹤和統(tǒng)計(jì)等功能；此外，提供的手冊可以方便地檢查儀器設(shè)備的健康狀態(tài)，以便于維護(hù)和維修。結(jié)論：基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)，通過實(shí)際部署使用，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的成熟性和可靠性，可以大幅提高醫(yī)療設(shè)備的使用效率。

　　物聯(lián)網(wǎng)作為下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合工業(yè)化和信息化，將會從根本上改變行業(yè)的形態(tài)，極大地推動技術(shù)進(jìn)步，改善人們生活條件。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力巨大，能夠幫助醫(yī)院實(shí)現(xiàn)對患者的智能化醫(yī)療和對物的智能化管理。隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，檢測技術(shù)逐步更新，醫(yī)療儀器設(shè)備不論從種類上還是數(shù)量上都有了極大的增加，而如何管理眾多設(shè)備，提高其使用效率，減少浪費(fèi)，對醫(yī)療單位提出了更大的挑戰(zhàn)。

　　隨著醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在該領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，已經(jīng)成為提高醫(yī)療設(shè)備管理效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。就應(yīng)用角度而言，采用現(xiàn)代傳感器技術(shù)，無線自組網(wǎng)技術(shù)和綜合信息處理技術(shù)可以更科學(xué)有效地管理醫(yī)院的醫(yī)療儀器設(shè)備，將醫(yī)院主要的醫(yī)療儀器設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)中，通過云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提供多種途徑的實(shí)時訪問、查詢和管理，從而可以高速、高效地操控和運(yùn)行醫(yī)院醫(yī)療設(shè)備管理，降低醫(yī)療儀器設(shè)備的使用和維護(hù)成本，避免重復(fù)浪費(fèi)，有效提升醫(yī)院的核心競爭力。

　　針對傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備管理電子化信息方面的不足，本研究引入自組網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)，提出了一種基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)，其中，自組網(wǎng)技術(shù)可以讓整個無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自組建、自診斷、自愈合及自路由，減少了用戶參與，極大的提供網(wǎng)絡(luò)的工作效率。引入的云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將醫(yī)院(用戶)、衛(wèi)生管理機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備廠商及維護(hù)廠商等覆蓋到系統(tǒng)中，統(tǒng)計(jì)不同廠家的各種醫(yī)療設(shè)備的使用情況、故障情況、采購成本以及使用和維護(hù)成本等；設(shè)計(jì)了通用的接口協(xié)議，將醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用、反饋、維護(hù)和管理等各個環(huán)節(jié)統(tǒng)一起來，有效推進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)步。本研究提出的綜合管理系統(tǒng)通過實(shí)際部署測試使用，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和有效性。

　　1 醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)是采用監(jiān)控終端監(jiān)控醫(yī)療儀器設(shè)備的運(yùn)行狀況，通過無線接口將運(yùn)行信息發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器則記錄并統(tǒng)計(jì)各個醫(yī)療儀器的狀態(tài)信息，提供實(shí)時監(jiān)控的窗口顯示。服務(wù)器端需建立本地和云端數(shù)據(jù)庫，記錄設(shè)備信息，提供操作手冊和運(yùn)行記錄等信息。服務(wù)器端和云端軟件還可根據(jù)需要自動提供各種格式內(nèi)容的報(bào)表。為獲得醫(yī)療儀器設(shè)備的位置信息，系統(tǒng)將集成已有的射頻識別(radio frequency identification，RFID)技術(shù)，在醫(yī)療儀器設(shè)備貼上RFID標(biāo)簽，在各科室、病區(qū)門口設(shè)立卡口，掃描進(jìn)出的醫(yī)療儀器設(shè)備。除此之外，監(jiān)控終端還可以通過獲知自身掛載在哪個無線網(wǎng)橋下來得到自身的大致位置。

　　基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)中所有設(shè)備都可以采用在線升級的方式更新固件和軟件，在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了冗余和備份，如更新失敗仍可以自恢復(fù)到先前版本。

　　基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的功能模塊主要包括：①監(jiān)控終端：監(jiān)控醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提供無線傳輸和路由功能；②主控接口模塊：通過服務(wù)器的串口為服務(wù)器提供無線接口；③無線網(wǎng)橋：提供與監(jiān)控終端的無線連接，并通過WiFi或有線以太網(wǎng)連接服務(wù)器；④服務(wù)器：主要是軟件部分，記錄各個醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提供操作手冊和運(yùn)行記錄，輸出各種格式內(nèi)容的報(bào)表，除此之外還負(fù)責(zé)其他硬件模塊的管理和配置；⑤云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：匯總所有的單體服務(wù)器，提供云端的數(shù)據(jù)庫和訪問接口，支持遠(yuǎn)程訪問，可部署在各個獨(dú)立的服務(wù)器上，其系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

　　2 醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

　　對于所有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，信息的檢測和傳輸是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。監(jiān)控終端設(shè)備需要檢測醫(yī)療儀器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，要求能夠低功耗運(yùn)行，且可通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，無縫兼容醫(yī)療儀器，將監(jiān)控終端設(shè)計(jì)成設(shè)備電源線形式，使用者無需額外操作，即可使監(jiān)控終端正常工作。本研究提出的醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)所采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：檢測技術(shù)、無線自組網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

　　2.1 檢測技術(shù)

　　監(jiān)控終端設(shè)備采用CS5460芯片采集被測儀器設(shè)備的運(yùn)行電壓電流信號，以此來判斷被測設(shè)備是否運(yùn)行以及實(shí)時功率，CS5460芯片是用于功率測量芯片，其性能和穩(wěn)定性要求能夠滿足本系統(tǒng)的需求。為采集更詳細(xì)的信息，監(jiān)控終端設(shè)備還提供USB接口和RS232串口用于連接被測儀器，采用儀器設(shè)備廠商提供的接口，定義收集儀器設(shè)備的運(yùn)行日志，故障代碼等運(yùn)行信息，并將其通過無線接口模塊發(fā)送給服務(wù)器。監(jiān)控終端的軟、硬件架構(gòu)如2圖、圖3所示。

　　2.2 自組網(wǎng)技術(shù)

　　無線接口模塊是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)本身無需大帶寬的無線通道，對實(shí)時性的要求也很低，各個監(jiān)測終端具有一定的本地存儲能力，可以選擇設(shè)定每隔10 min、30 min等時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，可以極大地降低系統(tǒng)負(fù)載，減少相互干擾。針對不同應(yīng)用場景，基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)可選同時支持WiFi模塊和433 MHz模塊，提供多種組網(wǎng)能力，而WiFi模塊將是最優(yōu)選擇；如無完善的WiFi網(wǎng)絡(luò)，433 MHz網(wǎng)絡(luò)將成為首選。

　　采用WiFi組網(wǎng)，其技術(shù)成熟可靠，當(dāng)前已有大量的應(yīng)用。而433 MHz技術(shù)無法可靠地傳輸數(shù)據(jù)和組網(wǎng)，極大的限制其應(yīng)用。為此，本研究在433 MHz物理層之上另行開發(fā)基于自組網(wǎng)技術(shù)的鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，構(gòu)建完善的自組網(wǎng)，避免433 MHz技術(shù)存在的缺陷。每臺監(jiān)控終端設(shè)備在出廠后都會固化一個唯一的ID號與自身的MAC地址和433 MHz網(wǎng)絡(luò)地址有著固定且唯一的對應(yīng)關(guān)系，初始化上電后會根據(jù)ID號來計(jì)算本機(jī)地址，433 MHz網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的地址不會重復(fù)。服務(wù)器端的節(jié)點(diǎn)為主機(jī)節(jié)點(diǎn)或是根節(jié)點(diǎn)，預(yù)留特定的地址，在任何系統(tǒng)中都不會變化。為節(jié)約無線傳輸帶寬，系統(tǒng)還預(yù)設(shè)了廣播地址，普通節(jié)點(diǎn)不可以使用廣播地址發(fā)送廣播報(bào)文，中繼節(jié)點(diǎn)收到廣播報(bào)文后向下轉(zhuǎn)發(fā)廣播報(bào)文。為增加傳輸可靠性，除了廣播報(bào)文外的每一次的數(shù)據(jù)傳輸都會有數(shù)據(jù)校驗(yàn)和應(yīng)答機(jī)制，在固定時間里收不到應(yīng)答報(bào)文或是應(yīng)答故障報(bào)文，會觸發(fā)重傳操作，重傳3次仍不成功，則放棄本次傳輸。

　　433 MHz自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)支持自組建、自愈合及自主路由，自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以減少網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的工作量和客戶的維護(hù)時間，增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性。為此在構(gòu)建433 MHz網(wǎng)絡(luò)時，需要額外的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)機(jī)制。433 MHz的服務(wù)器節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)會定時發(fā)送心跳報(bào)文，各個終端節(jié)點(diǎn)需及時響應(yīng)，來確認(rèn)自身是否在網(wǎng)絡(luò)中，傳輸通道是否通暢。服務(wù)器節(jié)點(diǎn)也通過發(fā)送心跳報(bào)文來掃描網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，確定在線的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)在發(fā)送報(bào)文之前均需監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)擁塞狀態(tài)，減少數(shù)據(jù)碰撞的發(fā)生，每次發(fā)送報(bào)文都會啟動硬看門狗電路來避免長時間占用網(wǎng)絡(luò)。433 MHz網(wǎng)絡(luò)采用樹狀結(jié)構(gòu)，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)處于整個網(wǎng)絡(luò)的最高點(diǎn)，等級最高且唯一。監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)可能為末梢節(jié)點(diǎn)或?yàn)橹Ω晒?jié)點(diǎn)(中繼節(jié)點(diǎn))，枝干節(jié)點(diǎn)可以下掛末梢節(jié)點(diǎn)或是枝干接點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)均有自己的上下級關(guān)系和等級。等級的高低取決于上級節(jié)點(diǎn)的高低，組網(wǎng)時優(yōu)先選擇等級高的節(jié)點(diǎn)，但仍需減少來回切換的次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)擺動情況。網(wǎng)絡(luò)等級共有8級，0級最高為根節(jié)點(diǎn)所有。網(wǎng)絡(luò)組建和維護(hù)均由各節(jié)點(diǎn)自行完成，上層軟件無需參與，其流程如圖4所示。

　　監(jiān)控終端在上電后會發(fā)送“我上電”報(bào)文來申請建立路由鏈路。“我上電”報(bào)文本質(zhì)上是廣播報(bào)文，分為發(fā)送給根節(jié)點(diǎn)和發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)的兩種。如果監(jiān)控終端未收到根節(jié)點(diǎn)發(fā)送的路由應(yīng)答報(bào)文，即認(rèn)為自身無法直接和根節(jié)點(diǎn)聯(lián)系上，此時應(yīng)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送“我上電”報(bào)文，申請中繼鏈接。通常情況下，會有多個中繼節(jié)點(diǎn)響應(yīng)“我上電”報(bào)文并提供中繼鏈接，這時監(jiān)控終端需要考慮各個中繼節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)等級和負(fù)載數(shù)量來選擇中繼節(jié)點(diǎn)。完成響應(yīng)的握手操作后，監(jiān)控終端記錄自身的上一級節(jié)點(diǎn)的地址，并將自身的網(wǎng)絡(luò)等級修改中繼節(jié)點(diǎn)的低一級，而中繼節(jié)點(diǎn)也會將該監(jiān)控終端的地址和時間記錄至自身的路由表中。中繼節(jié)點(diǎn)只轉(zhuǎn)發(fā)自己路由表中條目項(xiàng)的報(bào)文，其他中轉(zhuǎn)報(bào)文一律丟棄，可有效的抑制網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

　　采用架構(gòu)的自組網(wǎng)絡(luò)，根節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)文時，只需填寫相應(yīng)的目的地址即可，無需知曉整個網(wǎng)絡(luò)的路由架構(gòu)，收到該報(bào)文的節(jié)點(diǎn)會自動查詢各自的路由表轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。監(jiān)控終端發(fā)送上報(bào)報(bào)文時也只需將自己的上一級節(jié)點(diǎn)設(shè)為目的地址，中繼節(jié)點(diǎn)會自動向上轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文給服務(wù)器。本網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時性要求很低，即使路由表較大、查表時間較長也不會影響系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。路由表的更新和老化會在路由表查找的同時進(jìn)行，保證路由表的有效性。中繼節(jié)點(diǎn)的突然下電會導(dǎo)致其下的監(jiān)控終端中斷鏈接，但監(jiān)控終端會通過檢查心跳報(bào)文和應(yīng)答報(bào)文來獲知這一情況，隨后會自動發(fā)起重新路由的申請，重新選擇路由路徑。

　　理論上不應(yīng)出現(xiàn)＞8級網(wǎng)絡(luò)的存在，如果網(wǎng)絡(luò)過于龐大，節(jié)點(diǎn)數(shù)量＞128個，則考慮分拆網(wǎng)絡(luò)，可采用無線網(wǎng)橋方式，借組已有的WiFi有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)減少433 MHz網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。無線網(wǎng)橋在433 MHz網(wǎng)路中處于根節(jié)點(diǎn)位置，但其自身不處理相關(guān)數(shù)據(jù)，只作為433 MHz和WiFi有線以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)橋來使用。無線網(wǎng)橋還提供3G無線數(shù)據(jù)通道，支持Internet訪問，自身集成防火墻功能。無線網(wǎng)橋設(shè)備可以用于連接位置較偏遠(yuǎn)的病區(qū)設(shè)備。該組網(wǎng)算法可以盡可能的平鋪網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少網(wǎng)絡(luò)層次，減輕網(wǎng)絡(luò)偏載，降低監(jiān)控終端處理性能的要求。通過以上協(xié)議和技術(shù)的保證，基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)可靠性和可維護(hù)性得到了極大的提高，數(shù)據(jù)傳輸更加可靠、便利。用戶無需關(guān)心復(fù)雜的組網(wǎng)架構(gòu)和維護(hù)命令，網(wǎng)絡(luò)的自愈化極大地減輕了用戶負(fù)擔(dān)和維護(hù)成本。醫(yī)院所有的被監(jiān)控的醫(yī)療儀器設(shè)備都可以隨時上下電，而不影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。

　　2.3 云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)

　　設(shè)備在本地收集和統(tǒng)計(jì)的各種數(shù)據(jù)，除了保存在本地硬盤外，還可以發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。用戶經(jīng)過一定的權(quán)限管理流程后可以遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器中，查看實(shí)時和歷史信息。分布在醫(yī)院的多個病區(qū)內(nèi)部，分院內(nèi)部或是多個醫(yī)院內(nèi)部的服務(wù)器都可以連接到同一個云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中。該網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)信息共享、信息發(fā)布、固定和移動平臺的登錄以及權(quán)限管理等功能。用戶可以通過電腦、手機(jī)等終端隨時登錄網(wǎng)絡(luò)中查看醫(yī)療設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)和歷史數(shù)據(jù)。云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。

　　除此之外，各個醫(yī)療設(shè)備廠商在經(jīng)過授權(quán)后同樣可以接入到云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，檢查本廠設(shè)備的故障情況。云計(jì)算網(wǎng)路會將醫(yī)療儀器設(shè)備的檢測和故障編碼實(shí)時發(fā)送給相應(yīng)的廠商或維護(hù)單位，出現(xiàn)故障的醫(yī)療儀器設(shè)備會在第一時間得到維護(hù)和處理，而維護(hù)人員在出發(fā)前就可以獲知故障的詳細(xì)信息和處理辦法，極大的提高維護(hù)效率，降低成本。隨著管理平臺的完善和積累，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)還會自動觸發(fā)設(shè)備維護(hù)和校驗(yàn)需求，無需人工干預(yù)，還可以自行給出故障解決辦法，直接指導(dǎo)用戶維修簡單故障，無需等待專業(yè)維修人員，極大提高了儀器設(shè)備的在崗率。

　　輸出多種報(bào)表也是云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的重要功能。各臺醫(yī)療儀器設(shè)備的使用情況，統(tǒng)計(jì)各個醫(yī)院、分院及科室的使用負(fù)荷，可以按照時間和類型定時輸出各種報(bào)表，通過短信、彩信或電子郵件的形式發(fā)送相關(guān)人員，更有效的配置儀器設(shè)備，減少浪費(fèi)和閑置情況。統(tǒng)計(jì)各種醫(yī)療儀器設(shè)備的故障類型和故障率，核算出醫(yī)療儀器設(shè)備的購買和使用成本，不僅可以幫助醫(yī)院選購設(shè)備，還可以促使廠商改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，改善服務(wù)，促進(jìn)行業(yè)的良性發(fā)展。服務(wù)器的硬件平臺采用市售成品服務(wù)器平臺，在其上開發(fā)功能軟件。在客戶端軟件只是多個平臺，包括Windows、IOS及Android等，用戶可以使用多種平臺登陸服務(wù)器，方便的獲得權(quán)限范圍內(nèi)的信息。系統(tǒng)提供商也可以遠(yuǎn)程登陸云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，更新和維護(hù)本系統(tǒng)的正常運(yùn)行。服務(wù)器端的軟件架構(gòu)如圖6所示。

　　3 結(jié)語

　　基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)，可以幫助醫(yī)院和醫(yī)療系統(tǒng)更合理的采購和分配醫(yī)療儀器設(shè)備，提供儀器設(shè)備的使用效率，降低故障率，更好的保證正常醫(yī)療工作，降低成本，為醫(yī)院帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)醫(yī)療設(shè)備管理系統(tǒng)的建設(shè)困難、操作復(fù)雜及維護(hù)成本高等難題，極大的方便了客戶的使用和維護(hù)。此外，基于自組網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)醫(yī)療設(shè)備綜合管理系統(tǒng)不僅是為單個醫(yī)院定制開發(fā)的設(shè)備管理一體化系統(tǒng)，還可應(yīng)用于地市級的衛(wèi)生系統(tǒng)，云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)覆蓋多所醫(yī)院、管理機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠商和維護(hù)廠商，促進(jìn)醫(yī)療儀器設(shè)備研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用、維護(hù)和管理等各個環(huán)節(jié)，推動醫(yī)療儀器設(shè)備行業(yè)的良性發(fā)展。