基于阿里云物联网平台的医疗数据管理系统设计与实现论文

　　摘要：本文研究了阿里云物联网平台“透传/自定义”数据格式的产品的使用方法，在MQTT协议之上，设计了自己的设备通信协议，并在终端设备集成了WiFi网络模块，很好地实现了该自定义通信协议，然后基于该自定义通信协议，将医院业务与终端数据进行了合理的结合，设计与实现了具有实时监护功能的医疗数据管理系统。

 

　　关键词：阿里云物联网平台；自定义通信协议；医疗数据管理系统

 

 

　　WANG Qing,WU Lianwei,HE Longxiang,LIU Yanbin,LI Fang,ZHANG Shilong,LIU Xizhe

 

　　(Henan Tuoren Medical Equipment Co.,Ltd.,Changyuan Henan 453400)

 

　　【Abstract】：This paper studies the use method of aliyun Internet of Things platform Transparent/Custom data format products,based on MQTT protocol,designed its own device communication protocol,and integrated WiFi network module in the terminal device,well implemented the custom communication protocol,and then based on the custom communication protocol,a medical data management system with real-time monitoring and medical data statistics is designed and implemented by combining hospital business with terminal data.

 

　　【Key words】：aliyun iot platform;custom communication protocols;medical data management system

 

 

　　随着信息化技术的快速发展，物联网、传感器、移动终端、大数据等技术正在被逐步应用于医疗服务领域，智慧医疗也成为医院信息化建设的新目标[1]。智慧病房作为智慧医疗的一个典型领域，有着巨大的发展空间和应用潜力。智慧病房是以物联网为基础的辅助诊疗及智能护理一体化的解决方案，在智慧病房中，以物联网技术为纽带，将患者、医护人员和智能医疗设备紧密联结[2]。医疗设备通过传感器采集与患者相关的临床数据，通过互联网将采集的临床数据实时传输到医疗数据管理系统，最后通过可视化的方式展示给医护人员，同时，这些临床数据经过整理形成医疗大数据，能够为患者的诊断和护理给予辅助决策，从而为患者和医护人员提供更方便、有品质的医疗服务。鉴于此，本文提出一种解决方法，通过将医疗设备接入阿里云物联网平台的方式，设计开发集成了WiFi通信模块的医疗设备终端，以及数据管理系统，将设备、患者和医护人员进行有效的联合管理。
 

 

　　1阿里云物联网平台

       1.1透传/自定义

 

　　在阿里云物联网平台中，终端设备可以通过三种网络协议进行接入，分别为MQTT协议、CoAP协议和HTTPS协议[3-5]，本文使用MQTT协议进行设备接入。终端设备在连接成功后，会通过上报属性的Topic，将采集的临床数据实时地发送到平台。在非透传模式下，数据需要通过Alink协议进行封装，Alink协议是阿里云平台针对物联网开发领域设计的一种数据交换规范，数据格式是JSON，用于设备端和物联网平台的双向通信，在阿里云平台上，数据的传输需要通过标准的Alink JSON格式的数据进行。由于Alink JSON格式的数据是JSON字符串，会占用过多的字节，对一些内存过小，数据处理能力不足的终端会造成巨大的压力。因此，平台提供了透传模式，在透传模式下，可以自定义通信协议，通过少量的字节表示更多的信息，数据传输到平台后，可以通过平台提供的数据解析功能将自定义的通信协议解析成标准的Alink JSON格式的数据，然后进行后续的数据流转。本文使用的是透传模式。其过程如图1所示。
 

 

　　1.2自定义通信协议

 

　　如图1所示的流程，在透传模式下，设备上报的数据是自定义格式，因此需要根据具体的业务设计自己的数据格式，即通信协议。本文研究的终端设备是智能医疗设备，该类设备是用于采集并上传患者相关的生理参数和属性，因此，在数据中需要包含患者标识，来说明该数据是属于某个患者的，还需要包含生理参数值或属性值，用来记录患者的生理状态和相关属性。此外，在数据需要分类的场景下，如同一个患者多次使用同一医疗设备时，为了将大量的数据区分开来，数据中需要包含分类标识，将具有相同分类标识的数据视为同一类别，方便了数据的统计和分类。综合以上业务需求，设计的通信协议如表1所示。

 

　　如表1所示，该协议为变长协议，从0开始计数，第0个字节表示该数据除第0个字节外的总字节个数，最大值为255，其中，0～10以及最后2个字节为固定字节，所以该协议规定的数据有效字节个数在13至256之间。第1～4个字节为患者标识，患者标识通常使用医院中分配给患者的住院号表示，住院号通常为无符号的整数。经过前期的考察得到，4个字节表示的无符号整数能够满足大多数医院的使用需求。第5～8个字节为分类标识，同一类别的数据分类标识相同。第9～10个字节表示某次分类发送的第n条数据，协议最多可以将65535条数据标识为同一类数据。最后2个字节为校验字节，用于验证数据在通信过程中的正确性。其余字节，用来保存与实际业务相关的属性值和参数，该部分字节随设备种类的不同而不同，可以包含患者脉搏、血压和设备运行状态等数据。在本文中该协议位于MQTT协议之上，以MQTT发布报文为载体进行传输。

 

　　1.3数据解析

 

　　如图1所示，在透传模式下，终端设备根据自定义通信协议将数据进行封装，并通过MQTT协议将自定义数据传输到平台后，平台会触发数据解析功能将自定义数据解析成标准的Alink JSON格式的字符串，以便进行后续的数据传输和处理。该功能的使用，需要在数据格式为“透传/自定义”的产品下，编写数据解析脚本，脚本需要实现rawDataToProtocol和protocolToRawData方法，其中,rawDataToProtocol方法是用于将自定义数据解析成Alink JSON格式的数据，该方法的参数为自定义数据的字节数组，返回值为Alink JSON格式的对象。protocolToRawData方法是用于平台向设备返回自定义数据，该方法的参数为Alink JSON格式的对象，返回值为字节数组。其中，Alink JSON格式的数据的部分参数如下所示：

 

　　{

 

　　"deviceType":"CustomCategory",

 

　　"iotId":"0syOzMqwkGebZBGKa08d000000",

 

　　"productKey":"a1M7k1TAECc",

 

　　"deviceName":"ceshi001",

 

　　"items":{

 

　　"total":{"time":1630977265668,"value":2},

 

　　"pumpCode":{"time":1630977265668,"val

 

　　ue":"5121780935590297"},"PCAInvalid":{"time":1630977265668,"value":0},

 

　　"flfl owRate":{"time":1630977265668,"value“”:0.1},

 

　　"fifi nished":{"time":1630977265668,"value":1.1},

 

　　"battery":{"time":1630977265668,"value":30},

 

　　"patientCode":{"time":1630977265668,"val

 

　　ue":100000001}

 

　　}

 

　　}

 

　　如上所示的JSON字符串为数据解析后的设备上报属性数据，该数据包含与设备和患者相关的信息。其中，“iotId”字段表示设备的唯一标识，表示数据是由该设备上传。“items”字段为上报的患者和设备的属性信息，其中的“patientCode”属性是患者标识，用来表示数据包含的是与该患者相关的信息。

 

 

　　2.1 WiFi网络模块

 

　　终端设备接入互联网，可使用的网络模块有很多种，如NB-IoT、5G、WiFi等，考虑到以后的使用成本，本文选择使用WiFi模块进行网络接入。WiFi模块选择ESP8266，其具有低功耗，稳定的特性，可以通过串口对其发送AT指令来连接WiFi进行网络通讯，其引脚和AT指令如表2所示。

 

　　常用的AT指令如表3所示。

 

　　在终端设备中，需要通过串口向WiFi模块发送AT指令来控制其进行网络连接和发送数据等动作。指令的发送顺序如下：

 

　　（1）发送AT+RESTORE清空参数并重启模块。

 

　　（2）发送AT+CWMODE=3设置WiFi模式为STA+

 

　　AP。或者发送AT+CWMODE=2设置为AP模式，因为WiFi模块只做数据传输，接入点功能就行。

 

　　（3）发送AT+SLEEP=0退出自动休眠。方便数据的及时处理。

 

　　（4）发送AT+CIPMODE=0设置非透传

 

　　（5）发送AT+CWJAP=“ssid”，“pwd”，要处在WiFi环境中才能连上网络。

 

　　（6）发送AT+CIPSTART=“tcp”，“ip”，“port”，WiFi连接成功后，要进行服务器连接。

 

　　（7）发送AT+CIPSEND=N，根据所发数据大小设置N，当返回“>”后，直接通过串口发送数据。

 

　　2.2设备接入

 

　　终端设备需要用主控芯片连接控制各种传感器，并处理传感器发送的数据。在医疗场景中，可能会接入各种各样的传感器设备，故需要主控芯片的外设和引脚丰富。如果是临床使用，更要把稳定作为首要因素。综合考虑选择STM32F103ZE芯片作为主控MCU。

 

　　在物联网场景中，需要把WiFi模块外接到主控芯片上。根据ESP8266的特点，通过串口外接到STM32F103。由MCU控制WiFi模块，并将终端设备数据通过WiFi发送到阿里云物联网平台。结构如图2所示。

 

　　终端设备接入阿里云物联网平台采用MQTT消息队列协议，MQTT是一种基于发布订阅模式的“轻量级”通讯协议，该协议构建于TCP/IP协议上。本文使用C语言版本的Paho-MQTT开源库实现MQTT客户端的接入。阿里云物联网平台在创建设备的时候，会为每台设备生成各自的ProductKey、DeviceName和DeviceSecret，通过这些参数按照平台规定的签名规则，生成MQTT客户端的客户端标识符（ClientId）、用户名（User Name）和密码（Password）三个连接参数。然后使用Paho-MQTT开源库提供的MQTTClient_create方法，传入生成的连接参数，便可以创建MQTT客户端，对平台进行连接。

 

 

　　3.1功能需求分析

 

　　数据管理系统的功能主要是对设备、患者、医护人员以及三者之间的关系进行管理，并实时监控。系统的数据流动由图3所示。
 

 

　　如图3所示，该系统有两个数据源，分别为医疗终端设备和系统用户，其中医疗终端设备产生透传数据，系统用户向系统输入患者信息、医护人员信息和监护信息。透传数据先经过阿里云物联网平台的处理，平台将透传数据进行脚本解析，得到解析后的属性信息，并传送给管理系统。综上可知，系统需要处理的数据有阿里云物联网平台解析后的属性信息和系统用户输入的患者信息、医护人员信息、监护信息。

 

　　其中，解析后的属性信息是阿里云平台发送的Alink JSON数据，由上文可知，Alink JSON数据中包含了设备信息、患者标识和上报的属性等信息，分别对这三种信息进行处理，可将患者和设备进行关联，得到患者使用设备的记录，以及患者使用该设备期间上报的属性信息。

 

　　监护信息是由系统用户输入的，包含医护人员标识和设备使用标识，通过对监护信息的处理，将医护人员和设备使用进行绑定，得到监护记录，用来记录患者在使用设备过程中的监护人员。对于患者信息和医护人员信息，系统需要进行存储处理。如上所述，便可以将设备、患者和医护人员进行合理的管理。

 

　　3.2数据库设计

 

　　由图3所示的数据流图中的数据存储可以分析出，系统涉及的实体和关系包括，患者、设备、医护人员、监护、设备使用、实时数据和历史数据等。其实体-关系模型如图4所示：
 

 

　　如图4所示的E-R图中，患者和设备间的关系为多对多的关系，表示一个患者可以使用多台设备，一台设备也可以供多个患者使用。医护人员和设备使用的关系也是多对多的关系，表示一个医护人员可以监护多个设备的使用过程，一台设备的使用过程也可以由多个医护人员监护。

 

　　3.3系统设计与实现

 

　　该系统采用B/S的结构，为了系统良好的扩展性和独立性，采用前后端分离的方式进行设计和实现。服务器端使用了当下流行的Spring Boot微服务框架进行搭建，客户端使用Vue.js框架进行开发。系统实现的效果如图5所示。

 

　　图5所示的患者、医院、设备等信息，均为测试数据，不具有实际意义。如图5所示，系统实现了实时监护功能，将正在使用设备的患者以卡片的形式实时展示，卡片上显示患者的相关信息、设备上报的属性信息和监护医生等。患者可同时使用多个设备，多个设备以选项卡的形式展示，用户可以通过切换卡片下方的设备列表选项卡，查看不同的设备运行状态和上报的属性。

 

 

　　本文基于阿里云物联网平台，以透传的方式实现了终端设备数据发送、解析、处理、存储和实时展示等一系列功能。很好地通过对设备上报属性、患者信息和医护人员信息等处理功能，对设备、患者和医护人员三者进行关联，实现了物联网技术与医院业务的结合。系统运行状态良好，易扩展，能适应不同种类的物联网设备。现已将系统的实现方式进行了简述，希望能对物联网或医疗服务行业从业者提供些许帮助。

 

 

　　[1]陈卫平,陈敏亚,陆靓亮.物联网技术在智慧医院建设中的应用[J].中国卫生信息管理杂志,2020,17(6):710-714+774.

 

　　[2]罗国辉.物联网技术在医院中的应用现状[J].中国医院建筑与装备,2020,21(1):19-22.

 

　　[3]程德昊,何元清,蔡春昊.基于阿里云物联网平台的数据可视化[J].电脑知识与技术,2020,16(22):50-51+53.

 

　　[4]杨尚瑜,张笑.基于阿里云物联网平台的智慧校园系统设计与实现[J].计算机产品与流通,2020(3):82.