医疗物联网网关与感知节点解决方案设计与应用分析

高 洁，李 伟，冯 鑫，于慧杰，王士泉，桑戟南，江其生

医疗物联网网关与感知节点解决方案设计与应用分析

高 洁，李 伟，冯 鑫，于慧杰，王士泉，桑戟南，江其生

目的：对医疗物联网网关与感知节点等关键技术进行分析与设计，并提出整体化解决方案。方法：通过对医疗物联网应用环境的技术分析，对其核心软硬件架构进行设计，提出医疗物联网网关与感知节点的组成与功能实现。结果：为实现医疗物联网网关的功能，要求其硬件具有WAN侧支持多种接口形式及与无线传感网的接口支持多种频段等性能，软件方面选用开源Linux作为基础操作系统。在感知节点的实现方面，硬件采用嵌入式802.15.4无线接入模块的产品形式，软件采用协议栈独立于操作系统，基于事件驱动模型、支持动态CPU休眠的微型调度系统。结论：医疗物联网的关键技术环节医疗多协议物联网网关及感知节点设备的合理设计，是医疗物联网的关键。

医疗物联网；感知；医疗信息；解决方案

0 引言

我国在“十二五”国家战略性新兴产业规划中将物联网技术列为新一代信息技术产业的重要组成部分，因其无缝网络覆盖能力、实时数据感知能力以及海量信息处理能力，使构建以患者为中心的医疗健康服务模式成为可能[1]。在当前疾病预防、康复能力普遍薄弱的现实情况下，深入研究物联网、云计算等新兴信息技术在医疗卫生领域的应用，充分利用医院“医、教、研”优质资源集中的优势，以医院为中心，加强对预防和康复环节的技术辐射，是推进新型医疗卫生服务体系建设和医疗健康服务模式发展的重要基础[2]。当前，医疗物联网产业发展迅速，但是相关标准与规范尚未出台，对应的解决方案也没有形成完整的体系。笔者结合工作实践，对医疗物联网及感知节点的解决方案作一探讨。

1 医疗物联网总体架构

1.1 技术分析

医疗多协议物联网网关、感知节点设备以及医疗仪器设备所需的物联网接口模块3项技术是医疗物联网的关键技术环节，也是医疗物联网应用必须首先解决的问题。

（1）医疗多协议物联网网关作为连接远程Internet主机服务器和底层无线传感器网络的媒介枢纽设备，承担着底层协议与上层各种承载通信网络协议的转换功能，对接口的适配性、可靠性、稳定性等方面都有较高要求。

（2）感知节点与具体应用场景密切相关，一般内嵌到小型的移动式传感器设备之中。因此，感知节点的设计必须遵循低功耗、低成本、微型化、可扩展的原则。另外，针对医疗行业，保证数据的准确和传输的安全以及节点在恶劣的条件下工作的稳定性等方面都是必须考虑的问题。

（3）医疗仪器设备所需的物联网接口模块是实现医院设备管理自动化的关键。医疗仪器设备一般价格不菲，且种类繁多，进行大规模替换的代价过于昂贵，物联网接口模块应能在不破坏设备外观的前提下，利用设备现有的接口与其进行通信，进而实现医疗设备物联网功能的升级改造。现有医疗设备增配物联网接口模块后，医院便可以利用物联网对设备进行标志、定位、管理及监控，从而实现大型医疗设备的充分利用和高度共享，大幅度降低医疗成本。

1.2 总体架构分析

在当今物联网的热潮中，互联网工程任务组（intemetengineemg task fanet，IETF）提出的IPv6无线传感网（6LoWPAN）被业界看作较有发展前途的技术之一。国外已经有一些公司推出相应的初步组网设备产品，一些知名的大公司如Cisco，也在努力推介IPv6技术在传感网领域的应用[3]。在国内，国家也在一些重大科技专项里重点支持基于IPv6无线传感网的相关课题研究，包括医疗物联网网关、感知节点、医疗仪器设备所需的物联网接口模块[4]。6LoWPAN的主要思想是将现有的IP技术引入到IEEE开发的802.15.4低功耗无线个域网（wirelesspersonalarea network，WPAN），与WPAN定义的MAC层以下的协议栈标准配合，形成一套完整的、支持组成较大规模网络的协议栈。通过采用现有的IP技术，而不是定义一套全新的不能兼容IP的协议标准（如ZigBee）。6LoWPAN能使传感网更好地与现有的IP网络进行互联互通[5]。针对医疗行业，一个典型的由6LoWPAN传感子网+IP网组成的网络结构如图1所示。

从图1中可以看出，整个网络由以下几个部分组成：

（1）医疗物联网传感子网。传感子网由一组能够互相连接通信的无线节点组成。从最基本的通信角度看，无线节点之间基于IEEE 802.15.4WPAN标准定义的无线频段、调制格式、MAC报文格式以及CSCMA/CA访问机制等进行通信。但802.15.4WPAN协议只是定义了MAC层以下的标准，如果无线节点的距离超过单跳射频的距离（一般几十米～上百米），则需要依赖网络层协议来将无线节点组成支持多跳传输、覆盖范围更大的网络。医疗物联网基于的6LoWPAN传感子网正是将IPv6技术与WPAN标准结合起来定义的一种新的网络形式。站在IP网络角度看，6LoWPAN传感子网是IP网的一种新的末梢接入网络形式[6]。

在实际应用场合中，可以不止有一个6LoWPAN传感子网，可将多个6LoWPAN传感子网通过6LoWPAN网关组成跨地域、大规模的IPv6传感网络。

（2）医疗物联网网关。物联网网关用于连接医疗物联网传感子网和IP网的网关设备（也称为6LoWPAN边界路由器）。它是基于IEEE 802.15.4标准的无线传感网络与IP网络之间的连接桥梁，可以级联6LoWPAN子网并使它们通过Wi-Fi、以太网接口或2.5G/3G蜂窝无线接口与各种局域或广域IP网链接相连。其主要功能是在IP网络与传感子网之间进行必要的报文格式转换，通报必要的路由信息，并作为6LoWPAN传感子网的最上层设备（即协调器Coordinator）管理整个传感子网的各种动态配置，为传感子网内的节点与IP网内的节点（如远程的PC机）提供无缝的端到端的IP连接。

图1 医疗物联网互联结构图

（3）IP网。IP网可以是某个单位、园区内部的基于IP的局域网，也可以是互联网Internet。6LoWPAN传感子网基于IPv6，但IP网可以是IPv6或IPv4的。如果是IPv4，则6LoWPAN网关需要支持IPv6overIPv4隧道方式。

（4）应用/管理设备。此处的应用设备是指IP网上需要访问传感子网、与传感子网内部传感节点进行IP-to-IP数据通信的终端设备，比如，固定的PC机或移动的IPv6站点。管理设备是指位于IP网上的6LoWPAN传感网网管服务器，它可以是一台运行6LoWPAN传感网网管软件的PC机，可对连接到IP网上的一个或多个6LoWPAN传感子网进行统一的网络管理，并为访问传感子网的IP终端提供诸如安全认证、地址解析等服务[7]。

1.3 医疗物联网接入Internet的方式

1.3.1 端到端IP-to-IP的通信方式

在基于物联网网关的接入方式中，IP网上的一个终端（如PC机）要与传感子网内的一个无线节点进行IP-to-IP通信，其典型的通信过程如图2所示。

图2 端到端通信方式协议栈分层示意图

在图2中，主机先通过网管服务器获得传感子网内部节点的IP地址，之后利用SOCKETTCP/IP协议与传感网内部节点实现端到端的IP数据通信。

1.3.2 客户-服务器的应用方式

IP网上的PC终端除了可直接与传感子网内的传感节点进行通信外，还可采用通过客户/服务器的方式进行访问。在这种方式中，由服务器直接与传感网内的节点进行通信，收集/存储来自传感网内的传感器的数据，然后提供给PC终端访问，这是一种间接的方法。

在这种方式中，服务器通过网关与6LoWPAN传感子网内的所有传感节点进行直接通信，服务器端对监测信息进行处理和分析，并存储到数据库中。用户终端通过现有网络的协议访问服务器，获取IPv6无线传感器网络设备的信息，实现对设备的间接访问、控制以及有效的管理。

1.4 医疗物联网内部传感子网逻辑结构

（1）简单的星形（STAR）网。仅由物联网网关设备和802.15.4无线传感终端节点即可组建简单的星形无线传感网，如图3所示。在这种简单应用场合中，所有传感节点与网关的距离都在射频单跳距离范围之内，因此无需部署中转路由器，直接通过网关接入IP网络。

（2）树状网。由物联网网关设备、802.15.4无线传感终端节点以及物联网无线路由器组成。树状网中，使用动态路由协议建立路由表，终端节点和路由节点自由组网，通过多跳的方式延伸网络的覆盖范围，如图4所示。

图3 简单的星形（STAR）组网应用方式

图4 树形（TREE）组网应用方式

2 医疗物联网网关技术

医疗物联网网关的主要功能是在IP网络与传感子网之间进行必要的报文格式转换、通报必要的路由信息，并作为6LoWPAN传感子网的最上层设备为传感子网与IP网内的节点提供无缝的端到端的IP连接。

2.1 硬件技术分析

为实现医疗物联网网关的功能，对其硬件有如下的基本要求：

（1）WAN侧支持多种接口形式。支持Ethernet有限接入方式、Wi-Fi无线接入方式、通过2.5/3G蜂窝远程接入方式。

（2）与无线传感网的接口支持多种频段。设备通过选插不同型号的802.15.4RF模块来提供不同频段的RF接口：2.4GHz全球通用的频率和780MHz中国专用WAPN频段。

（3）基于32位的ARM9平台。网关的功能比较复杂，并且运算量远比WPAN内部的路由器和无线节点要大，因此需要选择能运行比较复杂软件协议的CPU平台。本方案选择基于ARM9的32位CPU平台来实现，如图5所示。

（4）设备的供电方式。采用AC供电或Ethernet网口供电方式，如图6所示。针对医疗行业，可配备电池作为断电情况下的后备电池。断电情况下后备电池可让设备继续工作的时间为几十个小时数量级。

图5 医疗物联网网关硬件框图

图6 充电电池电路图

2.2 软件技术分析

物联网网关由于软件功能比较复杂，需要一个功能强大的OS支持。本解决方案选用开源Linux作为基础操作系统。其软件的总体结构如图7所示。

图7 医疗物联网网关软件总体结构

在图7所示的软件系统中，重要的子模块组成及功能如下：

（1）802.15.4RF芯片驱动。驱动模块上接802.15.4MAC协议层模块，下管802.15.4射频芯片（通过硬件的SPI接口）。它的主要功能包括：①802.15.4射频芯片的配置管理（频率/信道、功率等管理）；②实现MAC报文收发；③实现硬件CSMA/CA；④向MAC提供RSSI（接收报文信号强度）等信息。

（2）Wi-Fi芯片驱动。当网关与Internet之间采用802.11无线接入方式时，需要Wi-Fi芯片驱动。

（3）WPANMAC层协议模块。它是802.15.4协议标准规定的MAC层功能的软件实现。主要包括MAC-DATA和MAC控制协议2个部分。

（4）Wi-Fi/Ethernet链路层模块。实现 WiFi， Ethernet链路层协议中软件相关的必要功能。

（5）6LoWPAN适配层。IPv6报头压缩/恢复、IPv6报文的分片/重组。

（6）IPv6网络层。含基本IPv6网络层功能，IPv6overIPv4隧道功能。

（7）IPv4网络层。当Internet接口一侧使用IPv4网络时，网关需要利用IPv6overIPv4隧道的方式与远程的6LoWPAN管理服务器或IPv6应用终端（如PC机）进行通讯。

（8）路由协议。IPv4路由协议包括RIP/OSPF；IPv6路由协议包括RIPng、OSPFv6等。

3 感知节点

3.1 硬件技术分析

感知节点设备采用嵌入式802.15.4无线接入模块的产品形式，如图8所示。无线接入模块是一个集成了MCU处理器和射频芯片的小体积PCB模块，模块上的MCU运行有作为无线传感网终端节点所必需的协议栈功能的软件固件。模块的目标使用者是第三方的医疗传感器设备的开发者。嵌入式无线模块通过外部引脚上的逻辑电平串行口与传感器设备上的主MCU进行通信。主MCU只需将从传感器采集的应用数据送给无线模块，剩下的通信过程完全由无线模块上的协议栈固件自动完成。这种设计可以大大降低医疗传感器设备的开发难度，因为开发者无需关心无线传感网内部复杂的协议实现。

图8 感知节点无线接入模块硬件框图

在图8中，传感器设备将无线接入模块焊接到设备的母PCB板上，通过逻辑电平的串行口信号与无线接入模块连接，并通过其他一些必要的I/O信号控制接入模块的起动/关机等操作。传感器设备内部无需关心传感网的协议实现过程，只需要简单地把应用数据送给无线接入模块，无线接入模块负责联网的各种功能的实现，并把数据打包发送到传感网上。传感器设备的开发难度比较小，设备体积上也容易做得比较小巧，便于系统集成。

3.2 软件技术方案

感知节点的硬件是采用8位单片机，各种资源是有限的，如CPU的处理速度、字长、RAM、ROM、FLASH存储器的容量、接口的数量等和通用计算机相比有很大差距。为了使协议栈做到精细，通讯可靠、功能相对完善，而且又能发挥嵌入式的特点，本方案采用协议栈独立于操作系统。基于事件驱动模型、支持动态CPU休眠的微型调度系统。通过合理划分中断处理程序，使中断处理程序尽可能短，尽量减小执行任务时产生的冲突，从而达到嵌入式系统的需要。感知节点软件总体结构如图9所示。

图9 感知节点软件总体结构图

在图9所示的软件系统中，重要的子模块包括：（1）802.15.4RF芯片驱动；（2）WPANMAC层协议模块；（3）6LoWPAN适配层；（4）IPv6网络层；（5）传感器应用层，其主要依赖于具体的传感器类型和应用需求，在传感器和通信协议都集成在一个MCU实现的设备场合中出现。其中（1）～（4）模块功能同上。

4 医疗仪器设备物联网接口模块

4.1 硬件技术分析

医疗仪器物联网接口模块作为一个独立设备，不需要嵌入到应用医疗器械设备内部。这种方式可以最大程度减少对医疗仪器设备的影响，降低医疗设备升级换代的复杂度。医疗仪器设备只需要通过标准的RS-232串口或GP-IB总线接口连接到物联网接口模块，实现与采用无线传感网技术的物联网进行连接。其模块硬件结构如图10所示。

图10 医疗仪器物联网接口模块硬件框图

4.2 软件技术分析

医疗仪器设备物联网接口模块采用和感知节点相似的软件技术，仅在具体细节上稍有差异，这里不再重述。

5 方案优势

（1）通过医疗仪器设备物联网接口模块能低成本实现物联网功能升级。由于通过对医疗设备进行硬件改动实现联网的难度较大，本方案设计的物联网接口模块可在不破坏原有设备的前提下，利用其已有接口，低成本地对医院设备进行物联网功能升级。

（2）通过感知节点设备实现医疗传感器设备的IP接入。目前，物联网的通讯协议大多并非IP协议，如果想要和IP网络互联互通，需要进行数据信号的转换，技术复杂、经济成本高。常用的小型医疗传感器设备一般对价格都比较敏感，通过本方案IPv6感知节点可将医疗传感器设备低成本接入IP网络。

6 结论

新医改的形势下，物联网、云计算等新技术的不断发展，催生出更多医疗信息化应用。物联网在医疗卫生领域的条码化，在患者身份管理、移动医嘱、诊疗体征录入、移动药物管理、移动检验标本管理、移动病案管理数据保存及调用、婴儿防盗、护理流程、临床路径等管理过程中，均能发挥重要作用。本文对医疗物联网中的几个关键技术环节进行了探索。基于医疗物联网构建新一代数字化医院技术平台，可以实现患者健康数据的自动化采集、智能化传输、全面化汇集和全局化决策分析，从而进一步提升医院的服务效率与质量，提高医院的服务能力与水平[8]。由于篇幅限制，本文并未详细描述医疗多协议物联网网关、感知节点设备以及医疗仪器设备物联网接口模块的技术指标细节，这些内容将在后续文章中逐步展开论述。

[1] 李伟，李峰生，江其生.新医改条件下数字化医院的建设与思考[J].解放军医院管理杂志，2010，17（10）：943，961.

[2] 王有才.中国电子政务发展报告（2012）[M].北京：科学文献出版社，2012：45-46.

[3] 周宏仁.中国信息化形式分析与预测（2011）[M].北京：科学文献出版社：2011：140-141.

[4] 周宏仁.中国信息化形势分析与预测（2013）[M].北京：科学文献出版社，2013：32-33.

[5] 刘丽军，邓子云.物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2012：110-111.

[6] 应俊，王剑，李开元，等.基于RFID技术的医院物资识别系统的研究[J].医疗卫生装备，2007，28（3）：22-23.

[7] 张以善，冯鑫，王士泉.某部署医院医疗业务系统存储整合方案分析[J].医疗卫生装备，2012，33（9）：50-52.

[8] 李伟，江其生.基于SOA架构的区域医疗机构信息交换与共享平台的研究[J].医疗卫生装备，2010，31（11）：79-81.

（收稿：2014-01-26 修回：2014-06-17）

Design and app lied analysis of solutions for gateways and sensor nodes of medical internet of things

GAO Jie1,LIWei2,FENG Xin2,YU Hui-jie2,WANG Shi-quan3,SANG Ji-nan3,JIANG Qi-sheng2
(1.Department of Science and Technology,Tianjin Third Central Hospital,Tianjin 300170,China;2.Central Laboratory, General Hospital of the Second Artillery,Beijing 100088,China;3.DC ITSLimited,Beijing 100080,China)

Objective To propose a package for the gateway and sensor nodes of medical internet of things(IOT). Methods Based on the analysis on the application environment of medical IOT,the architecture for the core software and hardware was designed,and the components and function implementation of the gateway and sensor nodes of medical IOT were also explored.Results Multiple interface modes for WAN and multiple frequency ranges interfacing with wireless sensor network were involved in the hardware development.Linux operating system was used for the software development.Embedded 802.15.4 wireless access module,event-based driving model and micro scheduling system compatible with dynamic CPU dormancy were applied to the realization of sensor nodes.Conclusion The design of the gateway and sensor nodes is important formedical internet of things.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（8）：41-45]

medical internetof things;sense;medical in formation;solution

R318；TP393

A

1003-8868（2014）08-0041-05

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.08.041

天津市科技计划项目（12ZLZLZF05200）

高 洁（1974—），女，处长，主要从事医院管理方面的工作，E-mail：tjgaojie2002@sina.com。

300170天津，天津市第三中心医院科技处（高 洁）；100088北京，第二炮兵总医院中心实验室（李 伟，冯 鑫，于慧杰，江其生）；100080北京，神州信息股份有限公司（王士泉，桑戟南）

江其生，E-mail：jqS598@sina.com