基于有源RFID和LAMP技术的母婴安全监护系统开发

邹 岸，胡金炎，林 霖，王 涛，喻德旷

ZOU An， HU Jin-yan， LIN Lin， WANG Tao， YU De-kuang

（南方医科大学 生物医学工程学院，广州 510515）

0 引言

随着计算机网络和通信技术的进一步发展，以及医疗体制的不断完善，医院信息化程度已经得到了大幅度的提高，在新的技术背景下采用现有医院信息系统（Hospital Information System，HIS）结合物联网应用实现医疗服务和医院管理的智能化和高效化变得日益迫切。本文针对医院婴儿监护工作中的安全隐患，借鉴国内外现有的解决方案，以现有监护体系及网络应用为基础提出一种基于有源RFID技术的母婴安全监护（Maternal-infant Safety and Surveillance,MISS）系统的设计和实现方案[1]。母婴安全监护系统的设计采用B/S模式，以有源RFID标签和读卡器作为系统底层数据的采集终端，并以开源LAMP作为系统软件开发平台[2]，实现对医院妇产科婴儿、母亲等相关人员的信息采集和处理，通过浏览器终端为医护人员提供实时的信息交互及医务决策平台。有源RFID母婴安全监护系统的应用，能实时监测婴儿的生命体征信息，进行婴儿位置状态的查询追踪，同时也为母婴智能配对提供解决方案，可以有效防止婴儿丢失、被盗及母婴错配等情况的发生，对提高医院母婴监护工作的效率，促进其智能化发展具有重要意义。

1 技术背景

1.1 RFID硬件基础

RFID设备是MISS系统设计的硬件基础，用于实现对目标数据的采集。根据系统数据需求以及应用条件，采用一种有源RFID硬件系统，其功能结构如图1所示，该RFID硬件系统主要由阅读器及融合了传感器技术的有源RFID标签组成。

图1 RFID硬件系统

阅读器是连接底层标签数据与上位机服务程序的纽带和桥梁。在本系统中采用一种支持双向通信的长距离微波型阅读器，其工作频率为2.45GHz，内置防碰撞算法机制[3]，能够同时接收多个标签的数据信息。该阅读器配有RJ-45以太网接口及RS232/RS485数据接口，可以实现阅读器与计算机间的互联。通过阅读器内部预置的继电开关，可以以硬件触发或软件触发的方式实时控制外部声光报警器。RFID标签可用于标识、探测所属目标物体的相关信息。本文应用的有源RFID标签，支持阅读器工作频段的双向通信，内部集成双温度传感器及震动传感器单元模块，能够实时监测人体体温、环境温度及标签震动信号等相关信息，并将探测信息按照一定的数据编码规则以射频信号的形式发送给阅读器。

1.2 B/S模式与LAMP平台

B/S模式是一种具有三层软件结构的开发模式，是对传统的使用两层结构的客户端/服务器（Client/Server，C/S）模式的一种改进。采用B/S模式进行软件的开发，可以将系统的主要逻辑业务集中在服务器端进行，而将极少部分的事务处理交由客户端处理，避免了在C/S模式中由于采用特定的客户端软件进行大量的逻辑操作带来的弊端，一方面减轻了客户端的负荷，另一方面也为系统的可移植性提供了保障；同时，与C/S模式相比，采用B/S模式可以使系统数据不再具有较强的分布特性，数据信息被集中于统一的数据库当中，为系统数据的实时共享和同步操作提供了条件，有利于减少系统维护的复杂度[4]。

考虑B/S模式的一种实现方法，本文采用基于LAMP（Linux+Apache +MySQL +PHP）平台的B/S模式进行系统的设计。LAMP是目前最流行的一种开源服务器平台组合，实际应用中，系统采用Linux（CentOS 6.2）作为服务器操作系统，采用Apache 2.2和MySQL 5.1分别作为服务器软件和后台数据库软件，并以PHP 5.3作为网络服务器端的开发脚本。

2 系统总体设计

MISS系统整体拓扑结构如图2所示。系统主体由基于RFID设备的数据采集网络，进行数据存储分析和业务处理的服务器平台以及面向应用的人机交互终端三大部分组成。

为实现对母婴信息的实时监测和收集，系统采用上述有源RFID设备构建了底层的数据采集网络。利用RFID标签作为婴儿身份的标识，将其佩戴在婴儿身上，可以实时地测量婴儿体温等状态信息；同时调整阅读器的功率参数使其阅读范围覆盖某一特定区域（通常一个病房内安置一个阅读器），可以使阅读器接收其信号覆盖范围内所有标签的数据信息。为了实现对标签数据的实时处理，采用JAVA语言结合JDBC（Java Database Connection）及多线程技术进行网络编程，开发了用于系统RFID设备的中间件服务程序[5,6]，通过该程序可以使上位机与阅读器建立直接通信，实现对阅读器的访问和控制。系统中间件程序将阅读器获得的标签数据进行实时存储和分析，按照标签数据编码格式与系统业务需求完成数据的解析与处理，并将其写入后台数据库，建立起实时的数据库应用机制。服务器平台是实现系统功能的重要物理条件，系统以此为基础完成用户业务请求和实时的数据响应，同时采用网络浏览器作为应用终端为用户提供便捷的访问接口。

图2 有源RFID母婴安全监护系统主体结构

2.1 功能分析

MISS系统的设计旨在保障婴儿的健康和安全，同时为医护人员提供有效的医务决策信息。根据应用需求对系统功能做出如下分析。

1）婴儿体温的监测和追踪：系统在工作过程中需实时访问标签所测得的婴儿体温参数，并在监控终端对其进行显示，提供婴儿体温的变化趋势曲线。2）婴儿位置的识别和寻迹：系统根据读卡器的位置配置及标签的信号强度对婴儿所在区域进行模糊定位，并以电子地图形式为监护人员提供实时的婴儿位置信息。3）婴儿及标签异常状态的反馈，查询和处理：系统依据标签确定的婴儿体温值和位置状态，结合预先设置的异常阈值（婴儿的体温异常值和标签禁区区域）对婴儿状态做出综合判断，将异常信息在客户端进行报警提示，同时提供标签异常记录的查询，以便历史事件的回溯。4）母婴信息的管理：母婴信息包括母亲和婴儿身份信息的注册、备份，以及标签信息的绑定。在设计过程中系统需提供与医院原有HIS系统的数据接口，以方便病历信息的统一管理。5）RFID设备配置信息的设定和校准：RFID设备的配置主要是对读卡器和标签的相关参数进行设置，包括读卡器的IP地址，所属位置以及标签的使用授权。6）系统数据维护及用户的管理：系统需提供数据库维护工具，实现母婴及标签信息的备份处理，减少系统数据的冗余。同时，建立用户权限的管理机制，确保系统资源访问的安全性。

2.2 软件设计

MISS系统的软件设计需要考虑对标签数据信息的复杂处理、对用户业务请求的实时响应以及提供良好的用户终端体验的要素。基于LAMP平台开发的MISS系统具有B/S模式固有的三层软件结构，其总体模型如图3所示，系统由用户层，业务逻辑层和数据层三个相对独立的软件层构成。

图3 MISS系统软件模型

用户层是MISS系统三层软件结构中的第一层，主要由客户端网络浏览器构成。在本文系统设计的过程中，运用HTML、Javascript等浏览器脚本技术开发了婴儿体温、位置等状态信息的实时监控界面，为用户提供业务信息请求的窗口。业务逻辑层是MISS系统的功能层，它以web服务器为基础，主要由业务接口，业务模型以及业务数据响应三个子模块组成。业务接口模块是连接用户层与功能层的通路，主要负责接收系统用户的业务请求，传递业务指令并对其进行解析，再根据请求类型调用相关的业务处理模型，完成系统的任务调度。业务模型定义了系统所有的功能，包含婴儿体温监控、婴儿实时定位、母婴信息配对、便签异常报警、母婴信息管理以及系统数据维护等多个单元。业务模型的处理有赖于对标签数据信息和母婴信息的管理，在系统内部建立起异常处理机制结合标签数据分析可以对婴儿体温的异常，标签的脱落及信号消失等异常事件进行报警；业务数据响应模块主要进行系统业务数据处理结果的分析和缓存，并根据用户需求将对应的数据结果返回系统终端。数据层是系统的数据库所在，用以存储RFID数据，同时为系统业务逻辑层提供数据接口，可以接收业务处理所需要的数据操作请求，完成数据的访问查询。

2.3 数据库设计

在MISS系统中，数据库为底层RFID数据采集网络提供了数据存储空间，同时也为实现医院HIS系统的融合提供了数据接口。RFID标签的数据信息是系统最为关键的业务数据，为了实现海量复杂的标签数据的有效存储与分析，本文采用MySQL数据库技术结合系统功能需求设计了MISS系统的数据库。在该数据库中，依照系统的业务处理模型及数据来源定义了十个实体作为数据表结构，分别为标签信息表（tagdata）、阅读器信息表（reader）、标签脱落异常记录表（tag_drop）、标签电量异常记录表（tag_battery）、标签消失记录表（tag_disappear）、婴儿信息表（infant）、母亲信息表（mother）、实时母婴配对记录表（tag_pairs）以及系统用户信息表（user）。以标签数据信息为基础，系统各个数据表之间根据唯一的标签序列号（TagID）实现彼此关联。

2.4 实时数据响应

在MISS系统的工作过程中涉及多种业务模型和繁重的实时RFID数据处理，为了减少业务处理过程中用户端和系统服务器间的直接数据请求，避免页面静态数据信息的多次处理，在系统设计的过程中，综合运用AJAX（异步JavaScript和XML，Asynchronous JavaScript and XML）异步数据刷新机制以及PHP技术，实现用户端实时的数据监测。

图4 MISS系统访问流程

3 系统实现

MISS系统的使用依据其内部建立的权限机制，将用户划分为普通用户和管理员两种类型，其系统页面分布及访问流程如图4所示。

系统内部根据需求开放注册权限，所有合法用户经过系统的登陆验证可以访问使用系统资源。其中，普通用户是系统的基本使用者，在MISS系统中普通用户的权限角色主要针对医务监护人员而设定，它具有查看婴儿标签列表、系统电子地图、母婴配对信息以及硬件配置信息的权限。母婴标签列表和系统电子地图是MISS系统的主要监控界面，可以为用户提供系统预设禁区和普通病区内所有的婴儿标签信息，可以实时地反映婴儿的体温信息、位置信息以及异常报警信息；母婴配对信息和硬件配置信息主要为用户进行母婴注册信息的查询、自动配对、异常记录查询以及系统的硬件配置信息查询提供了平台。管理员用户是系统的维护使用者，系统的管理员除了具有普通用户拥有的所有使用权限外，还具有母婴信息管理、硬件信息管理以及系统设置的权限。母婴信息管理包括对系统内注册的母婴信息的更新和维护，可以方便医务人员完成病人的出入院管理；硬件信息管理为系统的硬件配置提供了校准入口，它的设定可以确保系统的正确运行；系统设置则为系统的参数设置、用户管理及标签数据维护提供了窗口工具，系统管理员可以根据实际需求对系统内所使用的所有阈值信息进行配置，同时定期地对系统数据进行管理，以确保系统的工作性能。

3.1 主要功能实现

异常监控是系统最主要的功能，实现MISS系统中的异常处理主要包括对标签温度信息，标签脱落状态，标签位置信息以及标签电量信息的判断。以对异常事件分析为基础系统可以对所有异常事件进行报警处理，包括软件报警以及外部声光报警。

在异常处理程序中，系统首先获取标签数据信息，以此为基础进行标签异常事件的判断处理。首先，根据获得的标签数据对比数据库当前已注册标签信息判断标签数据是否消失；然后，对于婴儿体温异常的分析，MISS系统中默认设定婴儿的正常体温阈值范围为36.9度至37.5度之间，结合标签提供的温度数值信息对婴儿体温状态进行判断，一旦检测到温度数值处于正常阈值范围之外系统将做出温度异常处理；其次，对于婴儿异常位置的识别，系统主要根据基于阅读器位置分布与标签信号强度值的模糊定位方法结合系统预设的禁区阈值，对所有属于禁区区域阅读器下得婴儿标签进行位置异常报警处理；最后，对于标签脱落状态以及电量异常的判别，主要结合标签数据信息所提供的震动传感标志位（SENSOR）和电量标志位（BAT）进行分析。处于温度异常的标签如果其震动传感标志位为有效状态则可判断其为脱落状态，而当标签电量标志位数值小于标签正常工作所需电量数值时则对其进行低电量报警处理。

在MISS系统中提供以电子地图为基础的婴儿实时信息的监控窗口，其主要界面如图5所示。页面顶部为系统的主功能区，点击相应的功能图标可以进入其使用界面。基于地图的母婴实时监护界面以病房为实际的监控单元，利用RFID标签信息可以实时对婴儿位置进行判别，实时统计在每个监控单元内部的母亲与婴儿的人数，以鼠标放置在婴儿或母亲的图标之上可以显示当前区域所有人员的配对信息，对于婴儿还将提供实时的体温信息。系统的异常信息以“流水灯”形式进行显示，同时对于某一区域所在婴儿的异常信息还将在该区域显示警报标识。

图5 系统监控界面

3.2 性能测试评估

为了评估系统实时响应能力，本文采用httperf和autobench对系统进行了性能仿真测试[7]。其中系统测试的服务器主机硬件环境配置为双核Intel Pentium D 3.2GHz CPU、3.8G内存，服务器操作系统采用CentOS 6.3 32bit，并以Apache 2.2.15、MySQL 5.1.61以及PHP 5.3.16构建web软件环境，测试网络环境为100Mbps全双工局域网。系统测试数据来源于虚拟RFID标签数据，在测试过程中实验程序以真实标签数据为模板搭建RFID数据流的仿真平台，模拟生成20个阅读器、50个标签，并设定标签随机发送数据的时间间隔为0.6s。利用autobench进行系统并发请求测试，以上述系统实时监控页面为测试路径，设定总联接用户数为200，最低并发请求率为10个/s，最高并发请求率为10000个/s，测试期间每次测试请求数以每秒100个作为增长步长，其响应测试结果如图6所示。

图6 系统并发处理测试

从图中可以看出，系统响应时间随并发请求率的增加而增加，在并发请求率低于3700时系统响应时间基本低于3ms，且具有一定的稳定性，而在并发请求率高于3700时，系统响应时间局部产生剧增，但其总体值分布基本处于20ms以内。在整个测试过程中系统响应请求的错误率基本接近于零，系统具有较好的并发处理能力和负荷能力。

4 结束语

本文以当前医疗信息化发展程度为背景，结合有源RFID和LAMP技术，设计实现了母婴安全监护系统，为医院新生儿监护工作的智能化提供了一套切实可行的系统方案。该系统以有源RFID设备为硬件基础，实现对婴儿状态信息的实时采集，同时以LAMP为软件架构设计平台，实现系统的整体设计。系统运行在医院局域网络之上，具有多种便捷的访问入口以及图形化的信息监控窗口，可以方便医务监护人员实时有效地监控婴儿体温、位置等状态信息，同时为完成母婴监护管理提供参考决策。基于有源RFID和LAMP技术的母婴安全监护系统的开发是物联网技术在医疗领域的一个应用案例，它的实现有利于促进医院信息化以及医疗服务水平的进一步发展和提高，具有较高的实际应用价值。

[1]Lin L,Yu N，Wang T，et al.Active RFID Based Infant Security System[J].Communication Systems and Information Technology,2011：203-209.

[2]Ramana U V,Prabhakar T V.Some experiments with the performance of LAMP architecture[C].Computer and Information Technology,2005.CIT 2005.The Fifth International Conference on.IEEE,2005：916-920.

[3]王珏,刘陈.RFID防碰撞算法研究[J].微型机与应用，2011,30（10）：57-59,62.

[4]王丁.基于B/S的电力工程管理信息系统的应用[J].电气自动化,2012，34（1）：87-89,93.

[5]刘继华,李腊元.一种基于JDBC的数据库连接池的设计与实现[J].计算机工程与应用,2003,39（7）：183-185,215.

[6]刘发贵，蒋瑞林,胡耀民.RFID中间件及其仓储管理的应用[J].计算机工程,2006,32（13）：272-273,276.

[7]Mosberger D,Jin T.httperf—a tool for measuring web server performance[J].ACM SIGMETRICS Performance Evaluation Review,1998,26（3）：31-37.