CN108282755A - 一种病房环境监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种病房环境监控系统，包括依次通信连接的环境监测装置、基站设备和监控管理中心；所述环境监测装置包括多个随机部署于设定的病房监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集病房环境信息的无线传感器网络；传感器节点采集的病房环境信息最终传送到基站设备，进而由基站设备将接收到的病房环境信息传送到监控管理中心加以集中处理、存储和显示。本发明利用无线传感器网络技术实现了对病房环境的实时监控。

Description

一种病房环境监控系统

技术领域

本发明涉及医疗监测领域，具体涉及一种病房环境监控系统。

背景技术

无线传感器网络是一种特殊的无线自组织网络，由大量的传感器，感知、采集、处理和传输网络覆盖区域内的信息，并发送给网络所有者。它不需要很高的传输带宽，只需较低的传输时延以及低功率消耗，网络中节点众多，分布广泛，能够满足各种小型化低成本设备(如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等)的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业、医疗和日常生活中。

在医疗方面，随着经济的现代化发展和人民生活水平的日益提高，以及通信技术的发展越来越迅速，医疗现代化的问题越来越受重视。无线通信技术、无处不在的传感技术、社交网络技术和数据分析技术都已非常成熟，足以使无线医疗成为现实，减少沉重的医疗保健负担的愿望不再是一个梦想。大部分医疗保健服务不会在偶尔看病时才发生，而是在家里、车上和工作场所里随时随地进行。无线医疗监测成为一个研究热点，具有很大的发展前景。

然而，现有的医疗监测系统，基本上采用人工查房或电信号连接线连接各个设备的方式，前者效率低，医疗资源占用大；后者传输范围有限，布线繁琐，可扩展性不足，传输方式单一，实用效果不好。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种病房环境监控系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了一种病房环境监控系统，包括依次通信连接的环境监测装置、基站设备和监控管理中心；所述环境监测装置包括多个随机部署于设定的病房监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集病房环境信息的无线传感器网络；传感器节点采集的病房环境信息最终传送到基站设备，进而由基站设备将接收到的病房环境信息传送到监控管理中心加以集中处理、存储和显示。

本发明的有益效果为：以无线传感器网络技术为基础，构建病房监测区域无线传感器监测网络，克服了传统有线病房监测系统布线麻烦，成本高，功耗高，可扩展性和移植性差的不足，实现了对病房环境的远程实时监测。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1本发明一个实施例的结构示意框图；

图2是本发明一个实施例的监控管理中心的结构示意框图。

附图标记：

环境监测装置1、基站设备2、监控管理中心3、报警装置4、信息收发器10、处理器12、存储器14、显示器16。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

参见图1，本实施例提供的一种病房环境监控系统，包括依次通信连接的环境监测装置1、基站设备2和监控管理中心3；所述环境监测装置1包括多个随机部署于设定的病房监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集病房环境信息的无线传感器网络；传感器节点采集的病房环境信息最终传送到基站设备2，进而由基站设备2将接收到的病房环境信息传送到监控管理中心3加以集中处理、存储和显示。

其中，传感器节点包括温湿度一体式传感器、气体传感器和/或光照传感器。

可选地，如图2所示，所述的监控管理中心3包括信息收发器10、处理器12、存储器14、显示器16，所述处理器12电连接信息收发器10、存储器14和显示器。其中，所述的信息收发器10可接收基站设备2传送的病房环境信息，并把病房环境信息发送至处理器12，所述的处理器12用于对病房环境信息进行处理，将病房环境信息与其存储器14中存储的对应标准阈值进行比较分析，输出分析结果；所述的存储器14主要用于存储病房环境信息、标准阈值，所述的显示器16用于显示病房环境信息以及处理器12的分析结果。

可选地，所述的处理器12在病房环境信息超出其存储器14中存储的对应标准阈值时输出该病房环境信息为异常的分析结果。

可选地，病房环境监控系统还包括与处理器12通信连接的报警装置4。所述的报警装置4在病房环境信息为异常时启动报警。

可选地，所述的报警装置4包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。

本发明上述实施例以无线传感器网络技术为基础，构建病房监测区域无线传感器监测网络，克服了传统有线病房监测系统布线麻烦，成本高，功耗高，可扩展性和移植性差的不足，实现了对病房环境的远程实时监测。

在一个实施例中，实际部署的传感器节点个数不小于需要部署的传感器节点数量的门限下限，其中按照下列公式确定需要部署的传感器节点数量的门限下限：

式中，Ψ_min表示需要部署的传感器节点数量的门限下限，B为设定的病房监测区域的面积，Ψ_min为实现监测所需的传感器节点覆盖率的门限下限，L_max为部署的传感器节点的最大感知半径，L_min为部署的传感器节点的最小感知半径，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。

可选地，传感器节点覆盖率的门限下限的取值为90％。作为另一种可选的方式，传感器节点覆盖率的门限下限的取值为95％。

本实施例限定实际部署的传感器节点个数不小于需要部署的传感器节点数量的门限下限，能够保证部署后由传感器节点构成的无线传感器网络能够达到覆盖与连通性的基本要求，从而确保病房环境信息采集的可靠性；

本实施例进一步提出了需要部署的传感器节点数量的门限下限的计算公式，该计算公式基于病房监测区域面积以及传感器节点覆盖率门限下限两个因素确定需要部署的传感器节点数量的门限下限Ψ_min，为进行传感器节点的实际部署提供了科学依据。

在一个实施例中，多个传感器节点通过分簇形成双层无线传感器网络：传感器节点通过分簇确定簇头节点，未成功竞选为簇头节点的传感器节点作为普通成员节点，并选择距离最近的簇头节点作为自己的簇头节点加入形成簇，其中普通成员节点将感知到的病房环境信息发送至自己的簇头节点，进而由簇头节点对簇内各普通成员节点发送的病房环境信息进行融合并发送至基站设备2。

在一个实施例中，传感器节点通过分簇确定簇头节点，具体包括：

(1)在每一轮分簇时，基站设备2向所有传感器节点发送广播信号，每个传感器节点收到广播信号后应用安全加密随机数产生器生成一个0和0.5之间的随机数并计算随机阈值，如果传感器节点生成的随机数小于计算出的随机阈值，则该传感器节点成为临时簇头节点；

随机阈值的计算公式为：

式中，T(P_i)表示传感器节点P_i的随机阈值，G_i为传感器节点P_i成为簇头节点的概率，r是当前分簇的轮次，E是有资格成为簇头节点的传感器节点集合，若传感器节点在最近的轮内没有担任过簇头节点，则该传感器节点属于E；Q_i为传感器节点P_i的当前剩余能量，为传感器节点P_i的初始能量，为传感器节点P_i在上一次成为簇头节点时消耗的能量，当传感器节点P_i没有当过簇头节点时

(2)若两个临时簇头节点间距小于其中任意一个传感器节点的通信半径，则该两个传感器节点互为邻居临时簇头节点，当选为临时簇头节点的传感器节点在对应的通信半径范围内广播当选消息，并接收其他临时簇头节点的广播消息，若一个临时簇头节点的剩余能量大于其所有的邻居临时簇头节点，则自动成为真正的簇头节点，否则恢复到普通成员节点状态。

本实施例基于传统的LEACH分簇路由协议，提出了一种新的簇头节点竞选机制，在传统的LEACH分簇路由协议的基础上，改进了随机阈值的计算公式，并根据剩余能量对邻居临时簇头节点进行进一步的筛选。

传统LEACH分簇协议中，网络的工作周期被分为若干轮，所有传感器节点轮流担任簇头节点以达到能量均衡消耗的目的。在簇生成阶段，每个传感器节点产生一个0-1之间的随机数，并根据当前轮数计算出一个门限值，如果某传感器节点在前1/_S(_S为簇头节点的比率)轮内未担任过簇头节点，并且随机数小于门限值，则该传感器节点成为簇头节点，然后，簇头节点向所有节点广播自己成为簇头节点的消息，普通成员节点则根据接收到的广播信号的强度来判断自己与簇头节点的距离，并以簇成员的身份加入与之最近的簇，LEACH协议中簇头节点的选择是随机的，每轮选出的簇头节点数量相差很大，且分布不均匀，无法做到最优。

本实施例在随机阈值的计算公式中引入了能量以及能量消耗速率两个因子，使得能量越高、上次成为簇头节点时能量消耗速率小的传感器节点具有更大的概率成为簇头节点，从而有益于平衡传感器节点间的能耗。

本实施例根据剩余能量对邻居临时簇头节点进行进一步的筛选，能够避免相邻两个传感器节点同时被选为簇头节点，相对于LEACH分簇路由协议中直接将通过阈值筛选的传感器节点作为簇头节点的方式，提高了簇头节点分布的均匀性，因此本实施例从整体上能够增加无线传感器网络的工作寿命，延长病房环境信息采集的工作时间。

在一个实施例中，簇头节点与基站设备2为单跳距离时，该簇头节点对簇内各普通成员节点发送的病房环境信息进行融合后直接发送至基站设备2；当簇头节点与基站设备2为多跳距离时，该簇头节点选择相邻的簇头节点作为中继节点，以辅助转发融合后的病房环境信息；其中，簇头节点选择中继节点时，具体执行：

(1)簇头节点建立自己的邻居簇头节点列表，其中邻居簇头节点为位于簇头节点通信范围内的其他簇头节点，设簇头节点到基站设备2的跳数为a，簇头节点在邻居簇头节点列表中寻找到基站设备2的跳数小于a的邻居簇头节点，若到基站设备2的跳数小于a的邻居簇头节点只有一个，则将该邻居簇头节点作为中继节点；

(2)若到基站设备2的跳数小于a的邻居簇头节点存在多个，则将它们归入备用中继节点集合中，设簇头节点为Z，Z按照下列公式计算备用中继节点集合中各邻居簇头节点的中继能力：

式中，S_j表示中继节点集合中第j个邻居簇头节点的中继能力，Q_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的当前剩余能量，为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的初始能量，D_z，j为簇头节点Z与中继节点集合中第j个邻居簇头节点的距离，L_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点的簇半径，K_j为中继节点集合中第j个邻居簇头节点具有的邻居簇头节点个数，K为当前无线传感器网络中的簇头节点个数，w₁、w₂为预设的比例因子，其中w₁用于衡量对于S_j的影响力，w₂用于衡量对于S_j的影响力；

(3)簇头节点在备用中继节点集合中选择中继能力为最大的邻居簇头节点作为中继节点。

本实施例提出了簇头节点选择中继节点的路由判定策略，该路由判定策略根据到基站设备2的跳数和中继能力两个指标进行中继节点选择，其中选择到基站设备2的跳数作为路由的一个指标，可以确保病房环境信息总是朝着基站设备2的方向发送；

本实施例根据能量以及该簇半径、拥有邻居节点的个数三个因素设计了中继能力的计算公式，由于簇半径较大、拥有邻居簇头节点的个数较多的簇头节点需要消耗的能量更多，因此簇半径、拥有邻居簇头节点的个数能够间接反映簇头节点在进行病房环境信息收集和传送时的能量消耗的速度，从而根据该计算公式计算出的中继能力能够很好地衡量邻居簇头节点转发病房环境信息的能力。通过利用该计算公式进行中继节点的选择，能够提高簇头节点进行中继节点选择的速度，并使得中继节点的选择更具科学性；

本实施例根据中继能力对符合跳数指标的邻居簇头节点进行进一步选择，能够使得能量高、能量消耗速度相对较低的邻居簇头节点具有更大的概率作为中继节点，从而在确保病房环境信息可靠传输的前提下进一步平衡簇头节点间的能量，达到延长无线传感器网络周期的有益效果。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种病房环境监控系统，其特征是，包括依次通信连接的环境监测装置、基站设备和监控管理中心；所述环境监测装置包括多个随机部署于设定的病房监测区域内的传感器节点，多个传感器节点通过自组织方式构成一个用于感知和采集病房环境信息的无线传感器网络；传感器节点采集的病房环境信息最终传送到基站设备，进而由基站设备将接收到的病房环境信息传送到监控管理中心加以集中处理、存储和显示。

2.根据权利要求1所述的一种病房环境监控系统，其特征是，所述的监控管理中心包括信息收发器、处理器、存储器和显示器，所述处理器电连接信息收发器、存储器和显示器。

3.根据权利要求2所述的一种病房环境监控系统，其特征是，还包括与处理器通信连接的报警装置。

4.根据权利要求3所述的一种病房环境监控系统，其特征是，所述的报警装置包括蜂鸣报警器和LED信号指示灯。

5.根据权利要求1所述的一种病房环境监控系统，其特征是，传感器节点包括温湿度一体式传感器、气体传感器和/或光照传感器。

6.根据权利要求1所述的一种病房环境监控系统，其特征是，多个传感器节点通过分簇形成双层无线传感器网络：传感器节点通过分簇确定簇头节点，未成功竞选为簇头节点的传感器节点作为普通成员节点，并选择距离最近的簇头节点作为自己的簇头节点加入形成簇，其中普通成员节点将感知到的病房环境信息发送至自己的簇头节点，进而由簇头节点对簇内各普通成员节点发送的病房环境信息进行融合并发送至基站设备。

7.根据权利要求6所述的一种病房环境监控系统，其特征是，簇头节点与基站设备为单跳距离时，该簇头节点对簇内各普通成员节点发送的病房环境信息进行融合后直接发送至基站设备；当簇头节点与基站设备为多跳距离时，该簇头节点选择相邻的簇头节点作为中继节点，以辅助转发融合后的病房环境信息。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种病房环境监控系统，其特征是，实际部署的传感器节点个数不小于需要部署的传感器节点数量的门限下限，其中按照下列公式确定需要部署的传感器节点数量的门限下限：

式中，Ψ_min表示需要部署的传感器节点数量的门限下限，B为设定的病房监测区域的面积，Ψ_min为实现监测所需的传感器节点覆盖率的门限下限，L_max为部署的传感器节点的最大感知半径，L_min为部署的传感器节点的最小感知半径，int[·]表示取整函数，用于对的计算结果取整数。