CN107644515A - 一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，由红外电子围栏、主控板、液瓶识别器、员工卡、LoRaWAN基站和应用服务器组成。当配有员工卡的医务人员接近病床或其他易感染源区的时候，人体会触发红外设备，红外设备唤醒处于低功耗状态的主控板，主控板被唤醒后，连续发送125K激励器信号，该激励器信号激活员工卡，员工卡向LoRaWAN基站服务器发送激励器ID等信息，LoRaWAN基站服务器把有效信息发送给应用服务器，应用服务器根据智能胸卡发送的相关信息判断医务人员是否应该洗手等规则，当医务人员有洗手动作时，该洗手动作被调制到激励器ID中，上传给应用服务器，从而完成了手卫生的监督监控并统计员工洗手依从率等信息。

Description

一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统

技术领域

本发明涉及医疗物联网领域，尤其涉及一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统。

背景技术

随着物联网技术和相关电子技术的发展，手卫生依从性管理方案也在随之不断地得到优化和发展，已有的手卫生依从性管理方案通常具有以下弊端：只能以科室为最小统计单元而无法定位和统计到医护人员个人手卫生依从率；或者需要医护人员在洗手时主动打卡记录，从而改变了医务人员的原有操作习惯。本发明方案既能统计到医护人员个人的手卫生依从率，又不影响医护人员原有的操作习惯，同时优化了系统硬件功耗，并通过使用LoRaWAN物联网协议和服务器端的核心算法满足了系统灵活性和并发性需求。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，本发明通过红外电子围栏解决主控板硬件功耗问题，通过靠近液瓶的激励器信号强度判断解决了个人手卫生依从率统计问题，通过应用服务器的算法和逻辑解决了手卫生逻辑判断的灵活性问题，通过LoRaWAN物联网协议解决了人员卡功耗问题和系统并发性问题。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，包括：红外电子围栏、主控板、液瓶识别器、员工卡、LoRaWAN基站、应用服务器；所述员工卡设在医务人员身上，医务人员接近污染区时自动触发红外电子围栏；所述的红外电子围栏唤醒主控板，主控板连续发送125K激励器信号将员工卡激活；员工卡通过LoRaWAN基站将激励器ID信息发送至应用服务器，应用服务器收到后向员工卡反馈应答数据；应用服务器根据激励器ID信息判断是否需要进行洗手，医务人员洗手时触发液瓶识别器，液瓶识别器将洗手信息反馈至主控板，主控板将洗手信息调制到激励器ID信息中，由员工卡反馈至应用服务器。

作为优选，采用红外电子围栏的方式来解决手卫生主控板的功耗问题，所谓红外电子围栏为人体红外检测设备，设定一定的检测空间范围，当有人进入该范围的时候，红外设备唤醒主控板，主控板便从睡眠模式进入了正常工作模式。在一些特殊的环境下，为了保证其灵活性，手卫生设备不能通过电源线直接供电，例如ICU病床，因为病床可能随时需要被移动位置，这种情况下手卫生系统就需要使用锂电池供电，这就存在一个如何节省功耗的问题，红外电子围栏就是为了解决功耗问题提出的方案，在感染区附近没有人靠近的时候，主控板处于一种睡眠状态，当有人靠近污染源附近的时候，红外模块唤醒主控板，主控板进入一种正常工作模式，当红外信号消失后，主控板又再次进入睡眠模式。

作为优选，所述污染区的范围由主控器发出的125K激励器信号广播范围决定，范围关系式如下所示：

ΦIR-ΦEX>20cm

ΦEX-ΦBED>10cm

其中，ΦIR为红外直径作用范围，ΦEX为激励器信号直径作用范围，ΦBED为ICU病床宽度范围。

作为优选，所述的主控板具有激活状态和待机状态，默认状态为待机状态，主控板与应用服务器连接通信；主控板包括MCU处理器、红外电子围栏识别器、LoRa协处理器、激励器射频发射模块、液瓶智能识别模块；MCU处理器分别与红外电子围栏识别器、LoRa协处理器、激励器射频发射模块、液瓶智能识别模块相连。

作为优选，所述的MCU处理器优选采用NORDIC公司的nRF52832芯片；所述的LoRa协处理器优选采用SEMTECH公司的SX1278芯片；所述的红外电子围栏识别器优选采用BISS0001芯片。

作为优选，所述的员工卡内嵌有LoRa协处理器模块和激励器信号接收模块，LoRa协处理器模块优选采用SX1278芯片，激励器信号接收模块优选采用AS3933芯片。

作为优选，所述的主控板采用LoRaWAN CLASS A物联网协议，主控板上的算法和逻辑包括红外状态判断、液瓶洗手状态智能识别，其中，红外状态判断分为红外被激活前，激活中，以及红外信号消失三个状态阶段，液瓶洗手状态智能识别为液瓶洗手按键状态识别与按键滤波处理，具体如下：

(i)红外未被激活状态：在红外电子围栏未被触发时主控板处于待机状态，此状态下主控板每间隔30秒通过LoRaWAN物联网协议向应用服务器发送心跳包，心跳包包括激励器的ID和电池电量信息；

(ii)红外激活状态：主控板被红外激活后，主控板通过激励器射频模块连续广播激励器ID号，广播的频率为每秒钟2次；

(iii)红外信号消失状态：主控板检测到红外信号消失后，延时120秒钟之后再停止广播激励器ID，回到待机状态；

(iv)液瓶洗手状态智能识别：主控板接收到液瓶按键信息后，首先进行滤波处理，若在2秒钟内收到连续的按键事件，则归并为同一次按键事件；接收到按键事件后，将按键事件调制到激励器ID信息中向外广播。

作为优选，所述的员工卡采用LoRaWAN CLASS A物联网协议，员工卡的算法和逻辑包括进入激励器ID覆盖范围时和逃离激励器ID覆盖范围时的处理逻辑，具体如下

(I)进入激励器ID覆盖范围：员工卡收到主控板的激励器ID之后，通过LoRaWAN协议向应用服务器发送该激励器ID，若30秒内激励器ID没有变化，则重复向应用服务器发送一次该激励器的ID；当有洗手事件发生时，员工卡收到的改变后的激励器ID立即向服务器发送；

(II)逃离激励器ID覆盖范围：员工卡每秒钟需判断一次是否在激励器覆盖激活范围内，若在3秒钟内没有收到任何激励器ID信号，则向应用服务器发送已经逃离了激励器范围的消息信号，如果在3秒中收到新的激励器ID信号，则不必发送上一个激励器ID逃离的消息。

作为优选，所述应用服务器的的算法和逻辑包括如下所示：

(1)服务器端的数据源

应用服务器端收集到的数据包括以下类型：员工卡进入主控板激励器的范围事件，即员工进入易污染区域；员工卡脱离主控板激励器的范围事件，即员工脱离了易污染区域；员工按压液瓶洗手，应用服务器收到带有洗手次数的激励器ID、员工卡ID以及激励器的信号强度RSSI，其中激励器ID用EID表示，员工卡ID用PID表示；

(2)清洁状态的判断：

假设员工PID1原本是清洁状态，当PID1进入污染区后，应用服务器收到该事件信息并标记时间起点为T1，如果在10秒之后应用服务器没有收到PID1离开污染区的事件信息，则标记该PID1用户为被污染状态，该员工离开时应该主动洗手，其中，PID1为员工卡的ID；

(3)违规状态的判断：

当应用服务器判断该员工处于被污染状态，在脱离了污染区30秒内没有洗手，则认为该员工处于违规状态；

(4)洗手事件的判断：

当员工按下液瓶识别器按键时，按键事件信息调制到EID中，通过员工卡上传到应用服务器，若当时有多个员工卡都在激励器信号覆盖范围内，那么应用服务器在短时间范围内会收到多个洗手事件，在此需要通过激励器信号强度判断是谁在洗手。

作为优选，所述通过激励器信号强度判断是谁在洗手的方法如下：

假设在T1时间点开始收到洗手事件，取结束时间为T2，则从T1到T2开始开辟一个时间窗，时间窗的长度为W1，在W1时间段内收到的同一个激励器ID下的所有员工卡洗手事件存储到一个集合中，在该集合中RSSI的信号强度最大的那个PID即为最靠近洗手液的那个员工卡，即判断为正在洗手的员工，其中，计算公式和逻辑如下：

公式1：RSSI_max＝Max(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)

公式2：PID_i＝PID(RSSI_max)

在公式1中，(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)为W1内的PID合集，而RSSI_max为该合集中数值最大者，再通过RSSI和PID的对应关系判断出RSSI对应的PID及员工卡ID，如公式2所示。

本发明的有益效果在于：(1)本发明通过红外电子围栏解决主控板硬件功耗问题，降低了成本；(2)通过靠近液瓶的激励器信号强度判断解决了个人手卫生依从率统计问题；(3)通过服务器端核心算法解决了手卫生逻辑判断的灵活性问题，通过LoRaWAN物联网协议解决了人员卡功耗问题和系统并发性问题。

附图说明

图1是本发明系统的架构示意图；

图2是本发明的数据传输路径示意图；

图3是本发明实施例判断谁在洗手的过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

实施例：如图1所示，一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，主要包括：红外电子围栏、主控板、液瓶识别器、员工卡、LoRaWAN基站、应用服务器；员工卡设在医务人员身上，医务人员接近污染区时自动触发红外电子围栏；红外电子围栏唤醒主控板，主控板连续发送125K激励器信号将员工卡激活；员工卡通过LoRaWAN基站将激励器ID信息发送至应用服务器，应用服务器收到后向员工卡反馈应答数据；应用服务器根据激励器ID信息判断是否需要进行洗手，医务人员洗手时触发液瓶识别器，液瓶识别器将洗手信息反馈至主控板，主控板将洗手信息调制到激励器ID信息中，由员工卡反馈至应用服务器。

其中，红外电子围栏的部署为：在一些特殊的环境下，为了保证其灵活性，手卫生设备不能通过电源线直接供电，例如ICU病床，因为病床可能随时需要被移动位置，这种情况下手卫生系统就需要使用锂电池供电，这就存在一个如何节省功耗的问题，红外电子围栏就是为了解决功耗问题提出的方案，在感染区附近没有人靠近的时候，主控板处于一种睡眠状态，当有人靠近污染源附近的时候，红外模块唤醒主控板，主控板进入一种正常工作模式，当红外信号消失后，主控板又再次进入睡眠模式。

污染区范围是通过主控板激励器125K广播的作用范围界定的，污染区范围和红外电子围栏的范围关系如下：

ΦIR-ΦEX>20cm

ΦEX-ΦBED>10cm

ΦIR：红外直径作用范围

ΦEX：激励器直径作用范围

ΦBED：ICU病床宽度范围

当员工卡进入污染区激励器覆盖范围的时候，该卡会被激活，激活后工卡将激活数据(包括激励器ID)通过物联网网关透传到服务器，服务器收到数据后向员工卡发送应答数据。

当员工洗手时，洗手事件被主控制调制到激励器ID中，工卡收到该ID后，将数据上传到物联网网关，网关透传给服务器，服务器收到数据后向员工卡发送应答数据，如图2所示。

其中，主控板主要包括以下几个部分：MCU处理器、红外电子围栏识别、LoRa协处理器、激励器射频发送模块、液瓶智能识别模块。MCU处理器优选NORDIC公司的nRF52832芯片，该芯片支持BLE4.2功能，使用BLE可以通过手机APP通过空口调整主控板的各项参数。红外模块优选BISS0001芯片，该芯片红外工作状态下的功耗为0.09mA左右，LoRa协处理器优选SEMTECH公司的SX1278芯片，该芯片支持RoRa协议栈，从而可以通过LoRaWAN物联网协议进行组网，解决员工卡的功耗问题以及多张卡同时工作时的并发性问题。

主控板上面采用的是LoRaWAN CLASS A物联网协议，主控板的算法和逻辑包括红外状态判断、液瓶洗手状态智能识别等，红外状态判断分为红外被激活前，激活中，以及红外信号消失三个状态阶段，液瓶洗手识别包括液瓶洗手按键状态识别，按键滤波处理等。

1)红外未被激活状态

在红外电子围栏装置未被触发时主控板处于待机状态，这种状态下主控板每间隔30秒通过LoRaWAN物联网协议向服务器发送心跳包，心跳包包括激励器的ID和电池电量等信息。

2)红外激活状态

主控板被红外激活后，主控板通过激励器射频模块连续广播主控板ID号，广播的频率为每秒钟2次

3)接收到液瓶按键事件

主控板接收到液瓶按键信息之后，首先进行滤波处理，如果在2秒钟内收到连续的按键事件，则归并为一次按键事件当中，接收到按键事件后，将按键事件调制到激励器ID信息中向外广播。

4)红外信号消失

主控板检测到红外信号消失后，延时120秒钟之后再停止广播激励器ID，回到待机状态。

员工卡带有LoRa协处理器模块和激励器信号接收模块，LoRa协处理器优选SX1278芯片，激励器信号接收模块优选AS3933芯片。

员工卡同样采用LoRaWAN CLASS A物联网协议，采用该协议的好处是解决了员工卡功耗问题，同时能够解决多张卡同时上报数据时的并发性问题，员工卡端的算法和逻辑主要包括进入激励器ID覆盖范围时和逃离该范围时的处理逻辑。

1)进入激励器ID覆盖范围

员工卡收到主控板的激励器ID之后，通过LoRaWAN协议立即向服务器发送该激励器ID，如果30秒内激励器ID没有变化，则重复向服务器发送一次该激励器的ID，在主控器端，洗手事件被调知道激励器的ID中，所以当有洗手事件发生时，激励器的ID随之而改变，员工卡收到改变了的激励器ID之后，也同样会立即向服务器发送该激励器ID。

2)逃离激励器信号区

工卡每秒钟需要判断一次是否在激励器有效激活范围之内，如果在3秒钟内没有收到任何激励器ID信号，则向服务器发送已经逃离了激励器范围的消息信号，如果在3秒中收到新的激励器ID信号，则不必发送上一个激励器ID逃离的消息。

应用服务器端的算法和逻辑如下：

1)服务器端的数据源

服务器端收集到的数据包括以下类型：员工(员工卡的ID用PID表示)进入主控板激励器(激励器的ID用EID表示)范围事件，也就是说员工进入了易污染区域；员工卡脱离了主控板激励器的范围事件，也就是说员工脱离了易污染区域；员工按压液瓶洗手，服务器收到带有洗手次数的激励器ID(EID)和员工ID(PID)以及激励器的信号强度RSSI。

2)清洁状态的判断

假设员工PID1原本是清洁状态，当PID1进入污染区激励器范围的时候，服务器收到该事件信息并标记时间起点为T1，如果在10秒之后服务器没有收到PID1离开污染区(没有脱离激励器范围)的事件，则标记该PID1用户为被污染状态，该员工离开时应该主动洗手。

3)违规状态的判断

当务服务器判断该员工处于被污染状态，在脱离了污染区30秒内没有洗手，则认为该员工处于违规状态。

4)洗手事件的判断

当员工按下液瓶识别器按键时，按键事件信息调制到激励器ID(EID)中，通过员工卡上传到服务器，如果当时有多个员工卡都在激励器信号覆盖范围内，那么服务器在一定时间范围内会收到多个洗手事件，此时需要通过激励器信号强度判断是谁在洗手，如图3所示，其中X轴为时间轴，Y轴激励器信号强度，信号轻度的取值范围为0到31，假设在T1时间点开始收到洗手事件，那么从T1到T2开始开辟一个时间窗，时间窗的长度为W1(2秒钟)，在W1时间段内收到的同一个激励器ID下的所有员工卡洗手事件存储到一个集合中，在该集合中RSSI的信号轻度最大的那个PID即为最靠近洗手液的那个员工卡，也就被判断为正在新手的员工卡，计算公式和逻辑如下：

公式1：RSSI_max＝Max(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)

公式2：PID_i＝PID(RSSI_max)

在公式1中，(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)为W1内的PID合集，而RSSI_max为该合集中数值最大者，再通过RSSI和PID的对应关系(公式2)判断出RSSI对应的PID及员工卡ID。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于，包括：红外电子围栏、主控板、液瓶识别器、员工卡、LoRaWAN基站、应用服务器；所述员工卡设在医务人员身上，医务人员接近污染区时自动触发红外电子围栏；所述的红外电子围栏唤醒主控板，主控板连续发送125K激励器信号将员工卡激活；员工卡通过LoRaWAN基站将激励器ID信息发送至应用服务器，应用服务器收到后向员工卡反馈应答数据；应用服务器根据激励器ID信息判断是否需要进行洗手，医务人员洗手时触发液瓶识别器，液瓶识别器将洗手信息反馈至主控板，主控板将洗手信息调制到激励器ID信息中，由员工卡反馈至应用服务器。

2.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的红外电子围栏为人体红外检测设备，支持设定检测空间范围，当有人体进入该范围时，人体红外检测设备唤醒主控板，主控板便从睡眠模式进入正常工作模式。

3.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述污染区的范围由主控器发出的125K激励器信号广播范围决定，范围关系式如下所示：

ΦIR-ΦEX>20cm

ΦEX-ΦBED>10cm

其中，ΦIR为红外直径作用范围，ΦEX为激励器信号直径作用范围，ΦBED为ICU病床宽度范围。

4.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的主控板具有激活状态和待机状态，默认状态为待机状态，主控板与应用服务器连接通信；主控板包括MCU处理器、红外电子围栏识别器、LoRa协处理器、激励器射频发射模块、液瓶智能识别模块；MCU处理器分别与红外电子围栏识别器、LoRa协处理器、激励器射频发射模块、液瓶智能识别模块相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的MCU处理器优选采用NORDIC公司的nRF52832芯片；所述的LoRa协处理器优选采用SEMTECH公司的SX1278芯片；所述的红外电子围栏识别器优选采用BISS0001芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的员工卡内嵌有LoRa协处理器模块和激励器信号接收模块，LoRa协处理器模块优选采用SX1278芯片，激励器信号接收模块优选采用AS3933芯片。

7.根据权利要求4所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的主控板采用LoRaWAN CLASS A物联网协议，主控板上的算法和逻辑包括红外状态判断、液瓶洗手状态智能识别，其中，红外状态判断分为红外被激活前，激活中，以及红外信号消失三个状态阶段，液瓶洗手状态智能识别为液瓶洗手按键状态识别与按键滤波处理，具体如下：

(i)红外未被激活状态：在红外电子围栏未被触发时主控板处于待机状态，此状态下主控板每间隔30秒通过LoRaWAN物联网协议向应用服务器发送心跳包，心跳包包括激励器的ID和电池电量信息；

(ii)红外激活状态：主控板被红外激活后，主控板通过激励器射频模块连续广播激励器ID号，广播的频率为每秒钟2次；

(iii)红外信号消失状态：主控板检测到红外信号消失后，延时120秒钟之后再停止广播激励器ID，回到待机状态；

(iv)液瓶洗手状态智能识别：主控板接收到液瓶按键信息后，首先进行滤波处理，若在2秒钟内收到连续的按键事件，则归并为同一次按键事件；接收到按键事件后，将按键事件调制到激励器ID信息中向外广播。

8.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述的员工卡采用LoRaWAN CLASS A物联网协议，员工卡的算法和逻辑包括进入激励器ID覆盖范围时和逃离激励器ID覆盖范围时的处理逻辑，具体如下

(I)进入激励器ID覆盖范围：员工卡收到主控板的激励器ID之后，通过LoRaWAN协议向应用服务器发送该激励器ID，若30秒内激励器ID没有变化，则重复向应用服务器发送一次该激励器的ID；当有洗手事件发生时，员工卡收到的改变后的激励器ID立即向服务器发送；(II)逃离激励器ID覆盖范围：员工卡每秒钟需判断一次是否在激励器覆盖激活范围内，若在3秒钟内没有收到任何激励器ID信号，则向应用服务器发送已经逃离了激励器范围的消息信号，如果在3秒中收到新的激励器ID信号，则不必发送上一个激励器ID逃离的消息。

9.根据权利要求1所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述应用服务器的的算法和逻辑包括如下所示：

(1)服务器端的数据源

应用服务器端收集到的数据包括以下类型：员工卡进入主控板激励器的范围事件，即员工进入易污染区域；员工卡脱离主控板激励器的范围事件，即员工脱离了易污染区域；员工按压液瓶洗手，应用服务器收到带有洗手次数的激励器ID、员工卡ID以及激励器的信号强度RSSI，其中激励器ID用EID表示，员工卡ID用PID表示；

(2)清洁状态的判断：

假设员工PID1原本是清洁状态，当PID1进入污染区后，应用服务器收到该事件信息并标记时间起点为T1，如果在10秒之后应用服务器没有收到PID1离开污染区的事件信息，则标记该PID1用户为被污染状态，该员工离开时应该主动洗手，其中，PID1为员工卡的ID；

(3)违规状态的判断：

当应用服务器判断该员工处于被污染状态，在脱离了污染区30秒内没有洗手，则认为该员工处于违规状态；

(4)洗手事件的判断：

当员工按下液瓶识别器按键时，按键事件信息调制到EID中，通过员工卡上传到应用服务器，若当时有多个员工卡都在激励器信号覆盖范围内，那么应用服务器在短时间范围内会收到多个洗手事件，在此需要通过激励器信号强度判断是谁在洗手。

10.根据权利要求9所述的一种基于LoRaWAN物联网协议的医疗手卫生监督系统，其特征在于：所述通过激励器信号强度判断是谁在洗手的方法如下：

假设在T1时间点开始收到洗手事件，取结束时间为T2，则从T1到T2开始开辟一个时间窗，时间窗的长度为W1，在W1时间段内收到的同一个激励器ID下的所有员工卡洗手事件存储到一个集合中，在该集合中RSSI的信号强度最大的那个PID即为最靠近洗手液的那个员工卡，即判断为正在洗手的员工，其中，计算公式和逻辑如下：

公式1：RSSI_max＝Max(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)

公式2：PID_i＝PID(RSSI_max)

在公式1中，(RSSI_i＝1,RSSI_i＝2,…RSSI_i＝n)为W1内的PID合集，而RSSI_max为该合集中数值最大者，再通过RSSI和PID的对应关系判断出RSSI对应的PID及员工卡ID，如公式2所示。