CN105681442A - 基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法，该系统包括低功耗无线传感器组、可对不同协议之间的协议转换和互通的多协议无线网关组网、用于配置运行状态的集群服务器端和信息交互平台；所述低功耗无线传感器组通过多协议无线网关组网与集群服务器端交互通信连接，且集群服务器端通过信息交互平台与用户终端无线远程通信连接。本发明通过低功耗无线传感器组、多协议无线网关组网和集群服务器端之间的通信可实现远程集群监控，该系统可把需要专人现场监护的传感器或医疗仪器集中监控管理起来，这样就可以实现无人值守；因此可以在医院和医疗机构的病房集群管理，提升远程监控和集群管理能力。

Description

基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法。

背景技术

医院现有的各种检测仪器都是单机工作，自带显示器，供医护人员现场观察记录，但是现有的医疗技术在使用过程中存在以下缺陷：

1）由于医院普遍存在医护人员短缺和医务人员负荷过重的问题，因此一般都是采用护士站和医生集中办公的方式提供医疗服务。这些检测仪上共享数据和集群管理上几乎是空白，缺乏集群和联网意味着大部分的数据采集和检测都是依靠人工完成，效率太低。在病人需要输液或无法自理时，需要家属或护工专人陪伴监护，占用了大量的人力和时间。

2）有些医院有病房的病人传呼系统，是采用有线方式组网，且功能单一，只能提供按键寻呼功能。

3）现有的医疗仪器和监控没有办法实现与互联网和智能手机联网，医护人员和家属无法实时知道突发情况，需要人工介入转发信息。这样效率和时效性都很低。

4）虽然现有医院为了患者的信息可在医疗服务终端上能进行保存，通常采用远程无线联网技术来实现，但现在联网技术主要用的是比较普遍的Wifi，蓝牙和Zigbee。但是对于电池供电和需要长期工作的无线传感器设备来说，Wifi的功耗太高，采用纽扣电池供电的轻型设备很难长期工作。蓝牙和Zigbee的硬件成本略高，尤其是Zigbee，由于专利权的问题，芯片成本居高不下。在很多的应用场景下，大部分时间休眠，特定事件触发输出的传感器，需要的是简单低速的无线传输手段，简单的串行HDLC帧结构是更加适合的方案。而在一个典型的医院病房（包括特护病房）需要各种仪器和传感器，有大型的插电工作的台式设备，也有电池供电的微型设备（如脉搏监控，温度监控，等）。因为不同的设备有不同的数据传输要求和供电情况；因此上述的远程联网技术不符合病房与医疗终端进行使用。

5）目前普遍的各种联网应用都是运行在TCP/IP上，蓝牙,Zigbee，Wifi这些协议只是作为链路层协议实现设备的物理网络联通，因此没有办法将底层的链路层协议统一叠加到Wifi这种无线以太网的链路层协议上。

综合上述描述，各个医疗场所需要一种可以远程集群监控的系统把需要专人现场监护的传感器或医疗仪器集中监控管理起来，才可以实现无人值守。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法，医院和医疗机构的病房采用集群管理，提升远程监控和集群管理能力，可以大大提升医护管理水平的同时，大大降低人员的负荷和时间耗费；并可实现无人值守。

为实现上述目的，本发明提供一种基于物联网的集群医疗监控控制系统，包括低功耗无线传感器组、可对不同协议之间的协议转换和互通的多协议无线网关组网、用于配置运行状态的集群服务器端和信息交互平台；所述低功耗无线传感器组通过多协议无线网关组网与集群服务器端交互通信连接，且集群服务器端通过信息交互平台与用户终端无线远程通信连接；

所述低功耗无线传感器组检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

所述多协议无线网关组网接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端；

所述集群服务器端上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台发送至用户终端；用户终端可远程及时的得到发布的信息。

其中，所述多协议无线网关组网包括标准无线收发模块、采用自定义的帧格式的ISM频段无线收发模块、用于配置管理低功耗无线传感器组或收发数据报文的微基站管理模块、实现网络统一由TCP/IP承载的协议网关模块和监控模块，所述标准无线收发模块和ISM频段无线收发模块通过对应的串行数据接口与微基站管理模块连接，所述微基站管理模块与协议网关模块连接，所述监控模块的输入端分别与微基站管理模块和协议网关模块连接，且监控模块通过分布式Wifi网络与集群服务器端通信连接。

其中，所述微基站管理模块包括自动频谱扫描分配单元和调制解调单元，所述自动频谱扫描分配单元与调制解调单元相连；通过自动频谱扫描分配单元周期性扫描2.4Ghz频段内的信号占用，并分配1～2个自用的导频信道，以及4～8个通信信道，通过导频信道广播；在导频信道上侦听并获取分配空闲信道的信息，在分配信道上发送；通过调制解调单元并采用分时复用和并行工作的方式进行多端通信后输出链路统一存储交换。

其中，所述多协议无线网关组网还包括电池供电模块和电源模块，所述电池供电模块通过电源模块与监控模块的输入端电连接；所述电源模块包括将升压稳压电路和低电压检测电路，所述电池供电模块分别通过升压稳压电路和低电压检测电路分别与监控模块电连接；且所述低电压检测电路检测到电池供电模块的电压低于限定值时，监控模块发出警示；所述电池供电模块的电压高于限定值时，通过升压稳压电路将电压稳定在设定的电压。

其中，所述低功耗无线传感器组中的每个低功耗无线传感器包括用于感应对应信号的探头、用于对感应到的数据进行采集的数据采集模块和用于对采集到的信号进行检测判断的判断控制模块和通信模块，采集到的信号经过判断控制模块的滤波和去噪后得到稳定的数据，基于该稳定的数据判断发生的事件，并将该事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文后封装为TCP/IP的数据后依次通过通信模块、对应的标准无线收发模块和ISM频段无线收发模块发送至集群服务器端。

其中，所述低功耗无线传感器组包括环境类的烟雾传感器、温湿度传感器、PM2.5检测传感器、安防检测传感器及火警监测传感器、生命体征类的脉搏监测传感器、血压监测传感器、体位监测传感器及呼吸监测传感器和医疗类点滴监控传感器。

其中，所述集群服务器端包括监控警告控制模块、计划任务管理模块和对警告信号及任务信号按照事件的重要程度优先级排序调度的事件调度模块；所述监控警告控制模块和计划任务管理模块分别与事件调度模块的输入端电连接，且所述事件调度模块的输出端通过信息交互平台发送至用户终端，并将运行结果发送至用户终端。

其中，所述事件调度模块包括消息缓存单元、消息解析单元、事件调度器和事件处理单元，所述消息缓存单元依次通过消息解析单元和事件调度器与事件处理单元连接，且所述事件处理单元通过信息交互平台发送至用户终端；警告信号和任务信号存储在消息缓存单元内，由消息解析单元对该信号进行解析，并将解析后得到的对象事件发送至事件调度器，由事件调度器对对象事件按优先级处理的先后顺序进行调度，并将调度结果传至事件处理单元进行显示，所述事件处理单元上显示紧急告警队列、重要告警队列、重要任务队列和一般任务队列。

其中，所述信息交互平台包括短信网关、微信网关或QQ网关。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于物联网的集群医疗监控控制方法，包括以下方法：

所述低功耗无线传感器组检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

所述多协议无线网关组网接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端；

所述集群服务器端上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台发送至用户终端；用户终端可远程及时的得到发布的信息。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的基于物联网的集群医疗监控控制系统及其控制方法，

1）通过低功耗无线传感器组、多协议无线网关组网和集群服务器端之间的通信可实现远程集群监控，该系统可把需要专人现场监护的传感器或医疗仪器集中监控管理起来，这样就可以实现无人值守；因此可以在医院和医疗机构的病房集群管理，提升远程监控和集群管理能力，可以大大提升医护管理水平的同时，大大降低人员的负荷和时间耗费。

2）本发明采用的多协议无线网关组网，可对无线链路层协议实现本地终结，并统一由网关发起的链路层协议取代，简化了网络设备层的配置管理，实现了网络统一由TCP/IP承载，使服务器端只需要看TCP/IP的数据内容；这种结构的的网关组网技术可兼容各种末端短距离的无线组网技术也可兼容ISM频段的串行HDLC类似收发模块，Wifi，蓝牙4.0，Zigbee等。使得传感器之间的数据不在局限于在一个房间内，而且也不在需要相应的工作人员进行查看；通过无线网关组网，可实现了远程管理；

3）集群服务器端与用户终端之间可通过信息交互平台境内通信，而且集群服务器端的信息可按先后顺序进行发送；实现了事件可按照紧急状况按先后顺序进行处理；以便医护人员不在现场也可及时了解医院状况。

附图说明

图1为本发明的基于物联网的集群医疗监控控制系统方框图；

图2为本发明中多协议无线网关组网的工作方框图；

图3为本发明中低功耗无线传感器的工作方框图；

图4为本发明中集群服务器端的工作方框图；

图5为本发明中事件调度模块的工作方框图；

图6为本发明中分布式Wifi网络的框架图。

主要元件符号说明如下：

1、低功耗无线传感器组

10、低功耗无线传感器11、探头

12、判断控制模块13、通信模块

14、数据采集模块100、安防检测传感器

101、火警监测传感器102、脉搏监测传感器

103、血压监测传感器104、体位监测传感器

105、呼吸监测传感器106、点滴监控传感器

2、多协议无线网关组网

21、标准无线收发模块22、ISM频段无线收发模块

23、微基站管理模块24、协议网关模块

25、监控模块26、电池供电模块

27、电源模块221、2.4G收发单元

222、433M收发单元211、Wifi收发单元

212、蓝牙收发单元213、Zigbee收发单元

271、升压稳压电路272、低电压检测电路

3、集群服务器端

31、监控警告控制模块32、计划任务管理模块

33、事件调度模块331、消息缓存单元

332、消息解析单元333、事件调度器

334、事件处理单元

4、信息交互平台

41、短信网关42、微信网关

43、QQ网关

5、用户终端

51、手机52、电脑显示屏

53、LED显示屏

6、分布式Wifi网络61、Wifi信号放大器。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的基于物联网的集群医疗监控控制系统，包括低功耗无线传感器组1、可对不同协议之间的协议转换和互通的多协议无线网关组网2、用于配置运行状态的集群服务器端3和信息交互平台4；低功耗无线传感器组1通过多协议无线网关组网2与集群服务器端3交互通信连接，且集群服务器端3通过信息交互平台4与用户终端5无线远程通信连接；

低功耗无线传感器组1检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

多协议无线网关组网2接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端3；

集群服务器端3上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台4发送至用户终端5；用户终端5可远程及时的得到发布的信息。

相较于现有技术的情况，本发明提供的基于物联网的集群医疗监控控制系统，具有如下优势：

1）通过低功耗无线传感器组1、多协议无线网关组网2和集群服务器端3之间的通信可实现远程集群监控，该系统可把需要专人现场监护的传感器或医疗仪器集中监控管理起来，这样就可以实现无人值守；因此可以在医院和医疗机构的病房集群管理，提升远程监控和集群管理能力，可以大大提升医护管理水平的同时，大大降低人员的负荷和时间耗费。

2）本发明采用的多协议无线网关组网2，可对无线链路层协议实现本地终结，并统一由网关发起的链路层协议取代，简化了网络设备层的配置管理，实现了网络统一由TCP/IP承载，使服务器端只需要看TCP/IP的数据内容；这种结构的的网关组网技术可兼容各种末端短距离的无线组网技术也可兼容ISM频段的串行HDLC类似收发模块，Wifi，蓝牙4.0，Zigbee等。使得传感器之间的数据不在局限于在一个房间内，而且也不在需要相应的工作人员进行查看；通过无线网关组网，可实现了远程管理；

3）集群服务器端3与用户终端5之间可通过信息交互平台4境内通信，而且集群服务器端3的信息可按先后顺序进行发送；实现了事件可按照紧急状况按先后顺序进行处理；以便医护人员不在现场也可及时了解医院状况。

请进一步参阅图2，多协议无线网关组网2包括标准无线收发模块21、采用自定义的帧格式的ISM频段无线收发模块22、用于配置管理低功耗无线传感器组1或收发数据报文的微基站管理模块23、实现网络统一由TCP/IP承载的协议网关模块24和监控模块25，标准无线收发模块21和ISM频段无线收发模块22通过对应的串行数据接口与微基站管理模块23连接，微基站管理模块23与协议网关模块24连接，监控模块25的输入端分别与微基站管理模块23和协议网关模块24连接，且监控模块25通过分布式Wifi网络6与集群服务器端3通信连接。标准无线收发模块21主要包括Wifi收发单元211、蓝牙收发单元212和Zigbee收发单元213；ISM频段无线收发模块22主要包括2.4G收发单元221和433M收发单元222。本发明中微基站管理模块可通过串行数据接口同时连接多个无线收发模块。串行数据接口采用通用的接口，如SPI,USART,I²C等。微基站管理模块通过串行数据接口访问无线收发模块并实现配置管理和数据发送接收。协议网关模块24的主要功能是对无线链路层协议实现本地终结，并统一由网关发起的链路层协议取代，比如802.11等。好处是简化了网络设备层的配置管理，实现了网络统一由TCP/IP承载，集群服务器端只需要兼容TCP/IP协议，省掉了庞大的软件开发成本和维护成本。

微基站管理模块的主要功能描述：在本发明的应用场景中，微基站管理模块和两类无线设备通信，一类是采用ISM频段的ISM频段无线收发模块22，采用自定义的帧格式；第二类是业界标准的标准无线收发模块21比如Wifi，Zigbee和蓝牙。对于Wifi主要是透明转发的方式，对于其他的协议，微基站管理模块还负责这些无线设备的管理，通过空中接口协议或者自定义的管理帧。由于微基站管理模块是1对多的方式支持范围内所有的设备，因此必须具备多个信道以支持多个设备并发通信的情况。本发明中微基站管理模块通过串行数据接口同时接入多个无线收发模块，这些模块通过不同的串行数据接口接入或者在同一个数据接口链中采用不同的设备地址寻址的方式组成菊花链网络。微基站管理模块的主控中心挂载多个无线数据收发模块时采用周期性扫描或者中断触发的方式响应对端的无线模块发送或接收的请求。此外，为了降低无线通道阻塞，系统规定每个无线设备占用信道不能超过一定的事件段，这个时间段可以定义或规定，比如0.05秒或0.1秒等(由于医疗场景下大部分数据量都不大，因此限定事件完成数据传输是可以的)。由于医疗应用的特点，这些无线设备报告的频度不会很大，数据量也不大，因此可以采用时分复用的方式支持大量的设备，时分复用在移动通信中已经充分证明，这里就不多论述原理了。ISM频段是国际电联规定的免费频段，常用的有2.4Ghz和433Mhz这些，特点是频段免费，自由使用。因此很多无线设备的工作频率集中在这个频段，相对来说频段是拥挤的，干扰很多。因此需要频谱管理，以确保无线传感器等设备良好工作。Wifi，蓝牙，Zigbee这些工业标准的无线设备本身有一整套调频的协议，可以在拥挤的频段被占用时自动选择其他频段。微基站的频谱管理主要针对自定义帧格式的简单ISM频段无线收发器设备，这类设备占用的频段较窄，编码方式也与Wifi和蓝牙不一样。以2.4G这种最常用的ISM频段为例，Wifi在这个频段范围定义了14个频段，只用了其中的13个。而同样的频段，某编码方式的低速无线设备却可以划分出128个频段。由于通常占用2.4G频段最多的就是Wifi和蓝牙设备，因此本发明采用一种简单的方法来检测频段占用。采用一个Wifi模块或蓝牙模块作为无线物理层设备，通过寄存器控制周期性扫描各个频率点，读取RSSI值（也就是无线信号强度），如果很高说明改频段被占用。经过采样分析，发现大部分情况下，某些频段被更频繁的占用，而另一个频段却长期空闲（比如Wifi的9号频点）。通过在一个时间段（比如30秒～1分钟）内每个频点的RSSI值的平均值（也可以是这个时间段的RSSI之和）进行比较，最小的那个点就是最空闲的频点。通过周期扫描并检测RSSI值的方法，可以分析出ISM频段的最空闲的频点，并且作为优选频点，把归属管理的无线设备频率分配到这些频点上。分配的方法是首先通过无线数据报文把预先定义的管理报文发送到对端，对端接收并回应之后配置寄存器调整本地的ISM无线收发模块，并和远端的无线模块重新在新的频点上通信。由于Wifi的频段较宽，因此一个空闲的Wifi频点可以支持9个通道的低速无线模块通信。在病房范围内设备有限的情况下完全足够。为了简化无线空口管理，频点占用采用顺序占用方式，如果被占用自动选择下一个频点。无线收发模块与微基站管理模块之间采用串行数据接口通信，除了Wifi采用透明转发的方式，其他的方式都是协议终结，剥离出数据报文，并送到协议网关处理。通过这种方式，本发明实现了多协议的混合组网。

由于所有的无线收发都是通过把基带数据进行编码调制到物理层发射的，这些编码方式通过物理层编码时为了保证信噪比和带宽，都需要占用一个连续的频率范围，数字信号处理的基础原理决定了越高速的编码方式占用的无线带宽越大。换言之，如果需要发射的无线数据信号被对端若传感器良好接收，必须保证在一定的带宽内信噪比够好。另一方面，如果一个信道发射功率过大，除了在本信道有很高的信号外，在相邻频点也会造成一定的干扰。因此为了确保整个频段可用，每个设备发送信号时必须克制。采用信号信噪比强度周期性检测的方式来不断调整信号的发射功率，当RSSI值较大时降低发射功率，当RSSI较低时增加发射功率。比如某无线收发模块在9600bps通信时的接收信噪比是-115dBm，上个时刻发射功率是-35dBm，信号发射空中传输接收的衰减是45dB，那么信号到达接收模块时还余-80dBm，明显过剩。这时可以调整发射功率到-55dBm，这样经过衰减之后还有-100dBm，接收端还有15dBm的余量。通过检测RSSI并根据检测的值调整无线收发模块的发射功率的方法，可以满足可靠通信的同时，大大降低邻频干扰。同时降低发射功率也降低了电池供电的无线传感器的功耗。

微基站管理模块23包括自动频谱扫描分配单元和调制解调单元，自动频谱扫描分配单元与调制解调单元相连；通过自动频谱扫描分配单元周期性扫描2.4Ghz频段内的信号占用，并分配1～2个自用的导频信道，以及4～8个通信信道，通过导频信道广播；在导频信道上侦听并获取分配空闲信道的信息，在分配信道上发送；通过调制解调单元并采用分时复用和并行工作的方式进行多端通信后输出链路统一存储交换。微基站管理模块23的主要功能分别有：1）自动频谱扫描分配：常用的ISM频段有2.4GHz，433MHz等，都存在频段拥挤，占用等问题。因此为了保证微基站通过内置的Wifi和蓝牙模块周期性扫描2.4Ghz频段内的信号占用，并通过算法预测可用频段。分配1～2个自用的导频信道，以及4～8个通信信道，通过导频信道广播。集群服务器端在导频信道上侦听并获取分配空闲信道的信息，在分配信道上发送。2）多信道通信：微基站内置多个Wifi，蓝牙和2.4Ghz调制解调模块，可以通过分时复用和并行工作的方式支持同时与多个末端设备通信，防治阻塞；3）异构组网：因为微基站采用信号端接中继的方式工作，通过并联多个Wifi，蓝牙和2.4Ghz模块的方式，把调制解调器输出的链路统一存储交换。链路层本地终结，网络层中继的方式工作，支持多种不一样的组网方式协同工作；4）由于微基站范围内设备较多，因此需要节约信道资源，防止自相干扰。采用两种办法，第一是瞬发式信息发送，占用信道尽量短。二是通过功率测量反馈的方式控制发射功率，降低邻频干扰。

协议网关模块的主要功能是：本地链路层协议的互通和终结；TCP/IP组网和转发和TCP/IP代理。本发明中多协议无线网关的核心功能是微基站管理和协议网关，其中微基站负责管理无线收发模块的协同工作。协议网关的主要功能是实现多种无线接入协议的互通和终结。由于蓝牙和Zigbee都是末端短距离工作的设备，这两个协议都是链路层协议，因此这些链路层协议都是点到点通信，传感器和其他设备通过这些协议与网关上的无线模块通信，无线协议的处理有模块内置功能实现。由于服务器都是通过TCP/IP通信，因此末端设备的五花八门的协议必须归一化到TCP/IP上。在本发明中采取如下策略，如果无线设备本身通过Wifi组网，并采用TCP/IP通信，那么协议网关采用透明转发的方式工作。如果本地的无线设备不是采用Wifi，那么采用链路层协议终结，并在协议网关中运行TCP/IP协议代理的方式支持TCP/IP，这样端到端组网的协议归一化到TCP/IP上。

本发明协议网关中从无线收发模块的数据接口到微基站的已经是数据报文或帧，分成两种情况。一种是自定义的帧格式，另一种是IP报文（比如Wifi承载的智能设备）。如果是IP报文，那么我们认为该无线设备内置TCP/IP协议栈并管理IP组网和TCP会话，这里协议网关就简单透明转发即可。对于自定义的帧格式或蓝牙，Zigbee这类无线格式，为了与远端的服务器联网通信，必须支持TCP/IP协议族。因此本发明在协议网关中设计了TCP/IP代理的功能，就是在协议网关的软件中运行多个实例，每个里面有个TCP/IP的会话管理实例，作为这些非IP无线设备的代理。协议网关通过自定义或蓝牙，Zigbee协议与无线设备沟通并配置管理这些设备，同时把这些设备的状态更新给这些TCP/IP代理，这些TCP/IP代理代表这些无线设备与远端的服务器通信并收发数据。收发的数据通过无线数据接口再更新到这些无线设备上。

对于自定义的无线收发模块，为了更好支持IP组网，在报文寻址上采用类似IP的寻址的方式定义。比如IP是4个字节地址，而自定义格式的协议采用2字节，因为IP网络规划中公网IP地址是用来在公网上路由用的，网内设备工作都是私网IP地址，比如10.mmm.xxx.yyy或192.168.xxx.yyy。定义这些传感器地址为2个自己就是直接是设备地址xxx.yyy，网关转发时把网关的网段地址加上就是完整的IP地址。因此这样的寻址是IP友好的。此外，定义的地址也是目的地址在前，源地址在后，这也与IP类似。因此可以很好的兼容IP协议。当网关进行协议转换时开销最小。其次，由于本发明兼容各种传感器和设备的应用场景，因此协议的扩展性也是非常重要的。采用控制域来扩展各种应用，控制域分成2个字节，第一个字节是报文的会话ID，用于在很多发送报文中识别出属于某一个会话的报文流。第二个字节是封装格式定义，系统预先定义好多种不同功能的报文的格式，并发布给所有的设备，可以是在源代码中定义，或者通过空中接口发送格式定义的定义给所有的设备。这样报文解析时得到封装格式数字后，在封装格式库中查询，并得到解析方法。通过这种办法，系统可以兼容支持250以上的报文格式。

在本发明中，多协议无线网关组网2还包括电池供电模块26和电源模块27，电池供电模块26通过电源模块27与监控模块25的输入端电连接；电源模块27包括将升压稳压电路271和低电压检测电路272，电池供电模块26分别通过升压稳压电路271和低电压检测电路272分别与监控模块25电连接；且低电压检测电路271检测到电池供电模块26的电压低于限定值时，监控模块25发出警示；电池供电模块26的电压高于限定值时，通过升压稳压电路271将电压稳定在设定的电压，比如3.3V，当然，可以根据实际情况改变电压设定值。本案中通过电池供电模块26和电源模块27的配合，可保证电源提供的稳定性。本发明还可以兼容外部变压器，通过USB充电接口接入外部变压器，比如手机或平板用的充电器或变压器插入USB接口即可为系统供电。

请进一步参阅图3，低功耗无线传感器组1中的每个低功耗无线传感器10包括用于感应对应信号的探头11、用于对感应到的数据进行采集的数据采集模块14和用于对采集到的信号进行检测判断的判断控制模块12和通信模块13，采集到的信号经过判断控制模块12的滤波和去噪后得到稳定的数据，基于该稳定的数据判断发生的事件，并将件数据封装为多种协议格式的帧或者报文后封装为TCP/IP的数据后依次通过通信模块13、对应的标准无线收发模块21和ISM频段无线收发模块22发送至集群服务器端3。现代医疗技术中使用了大量的传感器采集病人的各种体征数据和环境数据，对于动辄管理几十个病房的医护人员来说，现场目视检查是很繁重的劳动。因此本发明设计了无线智能传感器提高工作效率，降低人力负担。

传统的传感器一般都有检测，数据采集和数据接口这几个模块，因此这种传感器不能独立工作，上报的也只是检测并经过数字化的参数数据。这样的架构对控制MCU带来很大的负担，如果是无线的传感器，还要考虑这么多数据发送量产生的功耗。对于很多传感器应用来说，需要的是一个基于传感器检测的判定结果，比如火灾传感器，烟雾传感器，医疗点滴报警器等。这种应用下，如果可以在本地检测并判断，并把判断结果通过无线数据报文传到上一级的服务器即可。因此，我们的设计中把算法和控制模块加入，内置检测和判断算法，检测到的数据经过滤波和去噪，得到稳定的数据，并基于这个稳定的数据来判断发生的事件。为了降低虚警概率，可以同时采用多个传感器，比如烟雾，红外和紫外传感器结合判定火灾。或者是连续多次检测的方式判断，比如点滴报警器。器主要差别是，本发明设计的传感器不仅仅可以传送检测的数据，而且内置了滤波和判断算法，可以自主判断发生的事件，并把结果封装到特定的数据报文中上报给服务器端。

本发明的传感器具有如下特征：具有传感器，数据采集，算法和控制，无线通信这几个模块；内置高可扩展性通信协议，支持灵活增加新的功能和业务以及心跳检测；智能节电技术，基于算法的自动频率调整，动态调整发射功率以及自动休眠唤醒技术。

本发明中的低功耗无线传感器组1包括环境类的烟雾传感器、温湿度传感器、PM2.5检测传感器、安防检测传感器100及火警监测传感器101、生命体征类的脉搏监测传感器102、血压监测传感器103、体位监测传感器104及呼吸监测传感器105和医疗类点滴监控传感器106以及其他类似的传感器。如图1中的通信架构所示，本发明中每个传感器与集群服务器端的协议无线网关连接方式是不局限的，可以是2.4G协议、Wifi中继或蓝牙。而且一种传感器可采用多种无线连接方式。当然，本案中并不局限于传感器的类型，可以根据实际需要进行改变，只要是医院中用到的传感器都可以应用到该系统设备中。

本发明提供的低功耗无线传感器组是采用了一种整体省电设计，以支持无线传感器的远程组网，主要方案如下：

1、层次化传感器网络：采用协议网关节点实现10米到100米的协议转换和转发中继，协议网关支持无线传感器的帧结构串行数据格式，也支持TCP/IP的标准报文格式，并内部实现了TCP/IP协议栈，以支持与远程的主机TCP/IP连接通信；

2、基于功率测量的自适应发射功率调整：无线传感器采用低功率发射技术，以降低功耗。协议网关定期广播握手报文，无线传感器检测报文强度，并调整发射功率，以正好够用原则调整发射功率，降低无谓的功率损耗；

3，灵活信息结构：合并报文数量，调整报文发送周期，尽量减少没用的握手报文，把多个信息整合在一个报文中；

4，邮包快车：邮包快车技术，协议网关收集范围内的传感器信息，除了紧急报警的外，其余信息并不马上发送。而是按照周期性发送。在周期内所有的消息统统封装到邮包中，类似邮包快车。

请进一步参阅图4，集群服务器端3包括监控警告控制模块31、计划任务管理模块32和对警告信号及任务信号按照事件的重要程度优先级排序调度的事件调度模块33；监控警告控制模块31和计划任务管理模块32分别与事件调度模块33的输入端电连接，且事件调度模块33的输出端通过信息交互平台4发送至用户终端5。本系统设定了很多监控的点和规则，如果传感器检测到相应的状态事件，那么就按照程序监控警告控制模块输出告警信号；病房对病人的治疗计划有用药计划，计划任务管理模块输入并管理病人的用药计划，提醒护士；传感器和系统内的计划任务产生的信号都在系统内生成一个事件，进入事件调度模块，按照事件的重要程度优先级排序调度。该服务器端以事件调度模块为核心，所有模块都是运行在软件程序上，这些功能模块通过消息相互传递信息，事件调度模块用于在独立运行的功能模块事件相互通信和信息分配，所有的功能模块都是通过服务器和网络实现逻辑互联的。

请进一步参阅图5，事件调度模块33包括消息缓存单元331、消息解析单元332、事件调度器333和事件处理单元334，消息缓存单元331依次通过消息解析单元332和事件调度器333与事件处理单元334连接，且事件处理单元334通过信息交互平台4发送至用户终端5；警告信号和任务信号存储在消息缓存单元内，由消息解析单元对该信号进行解析，并将解析后得到的对象事件发送至事件调度器，由事件调度器对对象事件按优先级处理的先后顺序进行调度，并将调度结果传至事件处理单元进行显示，事件处理单元上显示紧急告警队列、重要告警队列、重要任务队列和一般任务队列。本服务器按优先级的事件队列的最大优点是确保高优先级的告警或重要事件得到优先处理，而不是被低优先级的事务阻塞。在这种优先级事件队列下，高优先级的任务永远会优先得到处理，因此系统的可靠性和安全性会更高。这种优先级队列调度除了核心的事件调度器按照优先级设计多个不同队列外，如何标记优先级报文也是重要的。我们在报文进入协议栈之后，首先调用预处理的解析线程处理并给予优先级标记。对于自定义的协议格式来说，控制域的第二个字节是协议格式域，就隐含了优先级信息。通过解析这个域查表，我们会知道这个报文的类型，因此也就知道了优先级。对于转发的Wifi报文，因为原发送无线设备内置TCP/IP协议栈，因此我们不方便修改协议报文，优先级和报文属性需要在高层协议或数据结构中解析得到，这里我们需要考虑的是统一赋予一个中等优先级，让线程处理该协议报文。

本发明中服务器采用基于异步通信框架构成的线程集群实现功能和性能扩展，基于松耦合集群模式，每个应用可以运行在一个独立的线程上，或者不同的机器上，既可以是物理计算机，也可以是虚拟机。由于松耦合架构，因此每个功能可以自由扩展，可以基于单个计算机，每个应用运行在一个独立线程上。也可以是每个应用运行在一个独立的计算机或虚拟机上。轻量级的通信平台框架既可以支持进程间通信，也可以支持跨计算机或虚拟机的套接字通信（基于TCP/IP，可以远程访问）。也可以是这二者的混合部署，即一部分应用部署在一台服务器上，每个应用运行一个独立的线程。其他的应用分别部署到其他的服务器上系统支持发布和订阅模型，进程间的数据传递采用类似邮箱的方式，确保可靠传输。由于在医疗应用中每个系统之间并没有大量的紧密数据查询和传输的需求，因此基于数据库构建系统架构是低效并且低可靠性的。在病房监控的应用场景下，更多的是规则驱动和消息传递，因此系统基于消息发布和订阅的平台构建，可以得到如下好处：

1）松耦合，易于扩展，新增的应用可以运行在同一个机器上，也可以在任何地方，编程语言可以是C,Java,Python,等任何语言。

2）高可靠性，简单可靠的消息发布和订阅机制把线程关联在一起，应用之间没有强相关性，应用出问题不会导致系统整体崩溃。

3）扩展性好，可以单机扩展，也可以通过网络连接的不同服务器或虚拟机，只要是TCP/IP通信可达即可互通。

本发明中，信息交互平台4包括短信网关41、微信网关42或QQ网关43或其他的互联网通信工具。本发明通过信息交互平台4支持跨平台的信息交互需求，也就是说医护人员既可以现场得到系统输出的信息，也可以通过微信、短信、QQ等互联网和智能手机得到这些信息。为了方便医护人员远程办公（比如在路上或在家），还可以支持通过加密链路（如SSH或HTTPS）控制系统。本发明为了支持远程办公，还设计了消息接口网关服务器作为信息交互平台，也是个虚拟的线程或虚拟机。这上面同时运行了短信网关，微信网关和QQ网关等，通过这些应用开放的APP对用户终端的发布信息。用户终端5包括手机、电脑显示屏和LED显示屏，还可以是包括其他类型的。

本发明采用分布式Wifi网络，Wifi信号和高频的2.4G信号的穿透能力非常差，在墙壁多，结构复杂的建筑物内部实现组网非常困难，当有拐角或弧线等遮挡后信号很难通达。如图6所示，走廊部位基本无法信号覆盖。采用分布布置的Wifi信号放大器61，可以把Wifi网络的信号更好的部署到护士站的Wifi基站覆盖不到的地方。这些分布部署的Wifi信号放大器，可以采用商用的成熟产品，功能是实现微弱的信号放大。也可以自己开发，具有多个定向天线，可以实现定向放大。

为实现上述目的，本发明还提供了一种基于物联网的集群医疗监控控制方法，包括以下方法：

低功耗无线传感器组1检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

多协议无线网关组网2接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端3；

集群服务器端3上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台4发送至用户终端5；用户终端5可远程及时的得到发布的信息。

本发明提供的方法，通过低功耗无线传感器组1、多协议无线网关组网2和集群服务器端3之间的通信可实现远程集群监控，该系统可把需要专人现场监护的传感器或医疗仪器集中监控管理起来，这样就可以实现无人值守；因此可以在医院和医疗机构的病房集群管理，提升远程监控和集群管理能力，可以大大提升医护管理水平的同时，大大降低人员的负荷和时间耗费。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，包括低功耗无线传感器组、可对不同协议之间的协议转换和互通的多协议无线网关组网、用于配置运行状态的集群服务器端和信息交互平台；所述低功耗无线传感器组通过多协议无线网关组网与集群服务器端交互通信连接，且集群服务器端通过信息交互平台与用户终端无线远程通信连接；

所述低功耗无线传感器组检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

所述多协议无线网关组网接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端；

所述集群服务器端上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台发送至用户终端；用户终端可远程及时的得到发布的信息。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述多协议无线网关组网包括标准无线收发模块、采用自定义的帧格式的ISM频段无线收发模块、用于配置管理低功耗无线传感器组或收发数据报文的微基站管理模块、实现网络统一由TCP/IP承载的协议网关模块和监控模块，所述标准无线收发模块和ISM频段无线收发模块通过对应的串行数据接口与微基站管理模块连接，所述微基站管理模块与协议网关模块连接，所述监控模块的输入端分别与微基站管理模块和协议网关模块连接，且监控模块通过分布式Wifi网络与集群服务器端通信连接。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述微基站管理模块包括自动频谱扫描分配单元和调制解调单元，所述自动频谱扫描分配单元与调制解调单元相连；通过自动频谱扫描分配单元周期性扫描2.4Ghz频段内的信号占用，并分配1～2个自用的导频信道，以及4～8个通信信道，通过导频信道广播；在导频信道上侦听并获取分配空闲信道的信息，在分配信道上发送；通过调制解调单元并采用分时复用和并行工作的方式进行多端通信后输出链路统一存储交换。

4.根据权利要求1所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述多协议无线网关组网还包括电池供电模块和电源模块，所述电池供电模块通过电源模块与监控模块的输入端电连接；所述电源模块包括将升压稳压电路和低电压检测电路，所述电池供电模块分别通过升压稳压电路和低电压检测电路分别与监控模块电连接；且所述低电压检测电路检测到电池供电模块的电压低于限定值时，监控模块发出警示；所述电池供电模块的电压高于限定值时，通过升压稳压电路将电压稳定在设定的电压。

5.根据权利要求1所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述低功耗无线传感器组中的每个低功耗无线传感器包括用于感应对应信号的探头、用于对感应到的数据进行采集的数据采集模块和用于对采集到的信号进行检测判断的判断控制模块和通信模块，采集到的信号经过判断控制模块的滤波和去噪后得到稳定的数据，基于该稳定的数据判断发生的事件，并将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文后封装为TCP/IP的数据后依次通过通信模块、对应的标准无线收发模块和ISM频段无线收发模块发送至集群服务器端。

6.根据权利要求5所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述低功耗无线传感器组包括环境类的烟雾传感器、温湿度传感器、PM2.5检测传感器、安防检测传感器及火警监测传感器、生命体征类的脉搏监测传感器、血压监测传感器、体位监测传感器及呼吸监测传感器和医疗类点滴监控传感器。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述集群服务器端包括监控警告控制模块、计划任务管理模块和对警告信号及任务信号按照事件的重要程度优先级排序调度的事件调度模块；所述监控警告控制模块和计划任务管理模块分别与事件调度模块的输入端电连接，且所述事件调度模块的输出端通过信息交互平台发送至用户终端，并将产生的运行结果发送至用户终端。

8.根据权利要求7所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述事件调度模块包括消息缓存单元、消息解析单元、事件调度器和事件处理单元，所述消息缓存单元依次通过消息解析单元和事件调度器与事件处理单元连接，且所述事件处理单元通过信息交互平台发送至用户终端；警告信号和任务信号存储在消息缓存单元内，由消息解析单元对该信号进行解析，并将解析后得到的对象事件发送至事件调度器，由事件调度器对对象事件按优先级处理的先后顺序进行调度，并将调度结果传至事件处理单元进行显示，所述事件处理单元上显示紧急告警队列、重要告警队列、重要任务队列和一般任务队列。

9.根据权利要求8所述的基于物联网的集群医疗监控控制系统，其特征在于，所述信息交互平台包括显示屏、显示板或互联网终端；所述互联网终端为短信、QQ或微信。

10.一种基于物联网的集群医疗监控控制方法，其特征在于，包括以下方法：

所述低功耗无线传感器组检测对应的信号，并根据信号进行判断发生的事件数据，将事件数据封装为多种协议格式的帧或者报文；

所述多协议无线网关组网接收多种协议格式的帧或者报文，并把内容按照协议转换成系统规定的消息报文格式，并封装到TCP/IP报文中后发送至集群服务器端；

所述集群服务器端上的对线程消息经过排序调度处理后按照先后顺序通过信息交互平台发送至用户终端；用户终端可远程及时的得到发布的信息。