CN108600987A - 基于区块链技术的医疗环境数据管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，包括无线传感器网络监测子系统和区块链存储子系统，区块链存储子系统包括多个终端节点、多个超级节点、一主服务器以及至少一个用户组，每个终端节点连接一无线传感器网络监测子系统；无线传感器网络监测子系统用于对设定监测区域内的医疗环境进行监测，获取医疗环境数据并发送至终端节点；超级节点为已累计运行一指定时间，且系统资源丰裕度达一指定值的终端节点，所述系统资源丰裕度为磁盘容量和CPU利用率；所述用户组包括至少一个超级节点，所述用户组内超级节点用以存储医疗环境数据；所述主服务器用于根据终端节点的运行时间和系统资源丰裕度将终端节点转为超级节点，并组建用户组。

Description

基于区块链技术的医疗环境数据管理系统

技术领域

本发明涉及医疗数据管理领域，具体涉及基于区块链技术的医疗环境数据管理系统。

背景技术

现有技术中，医疗环境与健康治疗息息相关，医疗环境数据的记录，尤其是重症监护室的医疗环境数据记录，对以后的治疗经验总结起着至关重要作用，因此医疗环境数据需要进行长期保存。

现有数据存储方式普遍采用中心存储方式，适用于各家公司研发的封闭系统使用，适合单次或少数几次医疗环境数据的管理，由于数据采用集中存储、集中处理的方式，对于数据存储系统的性能、稳定性和安全性要求较高，从而导致数据管理成本高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供基于区块链技术的医疗环境数据管理系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，包括无线传感器网络监测子系统和区块链存储子系统，所述的区块链存储子系统包括多个终端节点、多个超级节点、一主服务器以及至少一个用户组，其中每个终端节点连接一无线传感器网络监测子系统；所述无线传感器网络监测子系统用于对设定监测区域内的医疗环境进行监测，获取医疗环境数据并发送至终端节点；所述超级节点为已累计运行一指定时间，且系统资源丰裕度达一指定值的终端节点，所述系统资源丰裕度为磁盘容量和CPU利用率；所述用户组包括至少一个超级节点，所述用户组内超级节点用以存储医疗环境数据，当所述用户组内超级节点为多个时，所述用户组内各超级节点间医疗环境数据相同；所述主服务器用于根据终端节点的运行时间和系统资源丰裕度将终端节点转为超级节点，并组建用户组，所述主服务器还用于用户组内各超级节点间存储的医疗环境数据的同步。

优选地，所述医疗环境数据以区块链形式存储于超级节点中；每个区块链对应一无线传感器网络监测子系统的医疗环境数据；所述区块链由多个数据块组成，每个数据块对应一个时间段的医疗环境数据；所述区块链中，数据块按照数据块所对应医疗环境数据的生成时间先后排列。

优选地，所述数据块由首字段、中间数据字段和尾字段组成；所述中间数据字段为一个时间段的医疗环境数据；所述尾字段为当前数据块的哈希值，计算数据块中除尾字段外其它所有字段数据生成当前数据块的哈希值；所述首字段为前一数据块尾字段写入的哈希值；所述区块链中，第一个数据块的首字段为设定的数据标识字段。

优选地，所述超级节点定期向所述根节点服务器报告自身运行状态，以及响应根节点服务器的运行状态查询指令；若所述超级节点的运行状态未报告次数以及运行状态查询指令未响应次数达到设定值，则所述超级节点降级为终端节点；所述运行状态包含超级节点自身的系统资源丰裕度、运行时间以及医疗环境数据允许存储量。

本发明的有益效果为：采用无线传感器网络技术获取医疗环境数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好；终端节点对应一无线传感器网络监测子系统，并将业务量大的终端节点生成为超级节点，多个超级节点进行医疗环境数据的存储，即采用分布式的数据存储方式，有效降低了数据遗失的风险，降低对数据存储设备的管理成本。

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是本发明一个示例性实施例的系统结构连接框图；

图2是本发明一个示例性实施例的区块链存储子系统的结构示意图。

附图标记：

无线传感器网络监测子系统1、区块链存储子系统2、终端节点10、超级节点20、用户组30、主服务器40。

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、图2，本实施例提供了基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，包括无线传感器网络监测子系统1和区块链存储子系统2，所述的区块链存储子系统2包括多个终端节点10、多个超级节点20、一主服务器40以及至少一个用户组30，其中每个终端节点10连接一无线传感器网络监测子系统1；所述无线传感器网络监测子系统1用于对设定监测区域内的医疗环境进行监测，获取医疗环境数据并发送至终端节点10；所述超级节点20为已累计运行一指定时间，且系统资源丰裕度达一指定值的终端节点10，所述系统资源丰裕度为磁盘容量和CPU利用率；所述用户组30包括至少一个超级节点20，所述用户组30内超级节点20用以存储医疗环境数据，当所述用户组30内超级节点20为多个时，所述用户组30内各超级节点20间医疗环境数据相同；所述主服务器40用于根据终端节点10的运行时间和系统资源丰裕度将终端节点10转为超级节点20，并组建用户组30，所述主服务器40还用于用户组30内各超级节点20间存储的医疗环境数据的同步。

在一个实施例中，所述医疗环境数据以区块链形式存储于超级节点20中；每个区块链对应一无线传感器网络监测子系统1的医疗环境数据；所述区块链由多个数据块组成，每个数据块对应一个时间段的医疗环境数据；所述区块链中，数据块按照数据块所对应医疗环境数据的生成时间先后排列。

在一个实施例中，所述数据块由首字段、中间数据字段和尾字段组成；所述中间数据字段为一个时间段的医疗环境数据；所述尾字段为当前数据块的哈希值，计算数据块中除尾字段外其它所有字段数据生成当前数据块的哈希值；所述首字段为前一数据块尾字段写入的哈希值；所述区块链中，第一个数据块的首字段为设定的数据标识字段。

在一个实施例中，所述超级节点20定期向所述根节点服务器报告自身运行状态，以及响应根节点服务器的运行状态查询指令；若所述超级节点20的运行状态未报告次数以及运行状态查询指令未响应次数达到设定值，则所述超级节点20降级为终端节点10；所述运行状态包含超级节点20自身的系统资源丰裕度、运行时间以及医疗环境数据允许存储量。

本发明上述实施例采用无线传感器网络技术获取医疗环境数据，无需布线，节省人力物力，可扩展性好；终端节点10对应一无线传感器网络监测子系统1，并将业务量大的终端节点10生成为超级节点20，多个超级节点20进行医疗环境数据的存储，即采用分布式的数据存储方式，有效降低了数据遗失的风险，降低对数据存储设备的管理成本。

在一个实施例中，无线传感器网络监测子系统1包括基站和多个传感器节点，传感器节点用于采集设定监测区域内的医疗环境数据，基站用于汇聚传感器节点采集的医疗环境数据，并将汇聚的医疗环境数据发送至与其连接的终端节点10；无线传感器网络监测子系统1中，网络初始化或基站重新构建多路径路由时，基站向网络中的传感器节点广播邻居列表构建消息，传感器节点在收到的邻居列表构建消息时执行：(1)检查邻居列表构建消息中上一跳传感器节点的标识是否在自己的邻居列表中，若不在，则添加该上一跳传感器节点到邻居列表，若存在，则丢弃邻居列表构建消息；(2)检查邻居列表构建消息中路由列表是否包含本传感器节点，若没有则将自身的标识添加到邻居列表构建消息的路由列表中，否则丢弃该邻居列表构建消息；当网络中无邻居列表构建消息转发或超过设定的时间阈值时，每个传感器节点都存储了本传感器节点到基站的多条路由路径。

在一个实施例中，传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行医疗环境数据包的发送，其中，由传感器节点计算所存储的其到基站的各条路由路径的优选值，设P_ij为第j条传感器节点i到基站的路由路径的优选值，P_ij的计算公式为：

式中，e_ij为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点个数，M为部署的传感器节点个数，v为设定的调节因子，为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点的平均剩余能量，Q_ij-min为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点中的最小剩余能量，Q_i为传感器节点i的剩余能量。

本实施例创新性地提出了优选值的概念，基于路径长短和能量因素进行考虑，设定了优选值的计算公式，为评判路由路径的优劣提供了一个较好的衡量指标。

由优选值的计算公式可知，所包含的传感器节点个数越少，而平均剩余能量和最小能量越多的路由路径将具有较大的优选值，这意味着采用优选值越大的路由路径进行医疗环境数据传输，则传输医疗环境数据的过程中能量消耗将更少且更有保障。

本实施例的传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行医疗环境数据包的发送，有利于节省医疗环境数据传输的能耗，降低无线传感器网络监测子系统1的通信成本。

由于传感器节点的剩余能量不是一成不变的，设定传感器节点定期计算自身路由路径列表中各条路由路径的优选值，并相应调整各条路由路径在路由路径列表中的排序。

在一个实施例中，传感器节点在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行医疗环境数据包的发送，具体包括：

(1)传感器节点发送一个医疗环境数据包时，当路由路径列表中的路由路径个数大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择前n个路由路径，将医疗环境数据包拆分成n个数据项，给每个数据项按1～n进行编号，并给每个数据项从所述前n个路由路径中选择一个不同的路由路径进行发送，并记录下每个数据项所选择的路由路径；

当路由路径列表中的路由路径个数不大于设定的门限值n时，传感器节点在其路由路径列表中选择第一个路由路径进行医疗环境数据传输；

(2)下一跳的传感器节点k在接收到上一跳传感器节点发送的数据项时，在上一跳传感器节点选择的路由路径中找到自身的标志ID_k，将数据项转发给标志为ID_k+1的传感器节点，以此类推，直至所有数据项传送到基站；

(3)基站记录接收到的数据项个数α以及相应的数据项编号，并根据α值执行相应操作，具体为：若α＝n，基站将不进行任何信息反馈；若n-μ≤α＜n，基站随机选择一条已接收数据项的路由路径发送一个反馈通知消息给始发数据项的传感器节点，反馈通知消息包括已接收到的数据项的编号，其中μ为设定的个数阈值，且满足基站只要收到不少于μ个数据项便能还原出原始医疗环境数据包的条件；若α＜n-μ，基站重新构建多路径路由；

(4)在设定的时间周期内，始发数据项的传感器节点收到来自基站的反馈通知消息时，则对反馈通知消息中不包括的数据项的编号所在的路由路径进行标记，当标记次数达到设定的标记次数阈值时，传感器节点将对应的路由路径从路由路径列表中删除。

本实施例设定了传感器节点的路由路径选择传输机制，该机制中传感器节点在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行医疗环境数据包的发送，在网络中可能存在恶意节点的情况下，能够有效减少路由路径中恶意节点带来的破坏。

本实施例在传感器节点发送医疗环境数据时，通过路由路径个数的大小自适应地将医疗环境数据拆分成多个数据项，每个数据项从不同的路由路径进行传输，能够有效降低医疗环境数据包被恶意节点整体拦截的概率；该机制还建立了汇聚节点接收数据的反馈机制，传感器节点根据汇聚节点的反馈对出错的路由路径进行删除，极大程度上提高了医疗环境数据传输的可靠性和安全性。

在一个实施例中，网络每运行一个时间段后，基站计算各传感器节点的信任值Z_i，当Z_i小于设定的信任值阈值时，基站将对应的传感器节点i判定为恶意节点，并向所有传感器节点广播恶意节点的标识，各传感器节点将包含该恶意节点的路由路径从自己的路由路径列表中删除；

其中，传感器节点的信任值Z_i的计算公式为：

式中，Z_i(t)表示传感器节点i在网络运行的第t个时间段的信任值，Z_i(t-1)为传感器节点i在网络运行的第t-1个时间段的信任值，每个传感器节点皆设有初始信任值，x为设定的信任值衰减系数，N_i为传感器节点i的邻居节点个数，g_y为传感器节点i的第y个邻居节点在前一个时间段内删除的路由路径中包含传感器节点i的路由路径数目，G_y为传感器节点i的第y个邻居节点在前一个时间段内删除的路由路径数目。

本实施例创造性地通过基站对各传感器节点的信任值进行定期检测，其中仅仅利用传感器节点原有的路由路径信息以及在运行过程中删除的路由路径的信息来判定传感器节点的受信任程度，具备一定的鲁棒性，且无需收集更多关于传感器节点的其他信息就能进行恶意节点的判断，简单便捷。

本实施例的传感器节点将包含判定的恶意节点的路由路径从自己的路由路径列表中删除，有利于进一步提高医疗环境数据传输的可靠性和安全性，能够有效延长医疗环境数据收集的工作周期。

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 (6)

1.基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，包括无线传感器网络监测子系统和区块链存储子系统，所述的区块链存储子系统包括多个终端节点、多个超级节点、一主服务器以及至少一个用户组，其中每个终端节点连接一无线传感器网络监测子系统；所述无线传感器网络监测子系统用于对设定监测区域内的医疗环境进行监测，获取医疗环境数据并发送至终端节点；所述超级节点为已累计运行一指定时间，且系统资源丰裕度达一指定值的终端节点，所述系统资源丰裕度为磁盘容量和CPU利用率；所述用户组包括至少一个超级节点，所述用户组内超级节点用以存储医疗环境数据，当所述用户组内超级节点为多个时，所述用户组内各超级节点间医疗环境数据相同；所述主服务器用于根据终端节点的运行时间和系统资源丰裕度将终端节点转为超级节点，并组建用户组，所述主服务器还用于用户组内各超级节点间存储的医疗环境数据的同步。

2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，所述医疗环境数据以区块链形式存储于超级节点中；每个区块链对应一无线传感器网络监测子系统的医疗环境数据；所述区块链由多个数据块组成，每个数据块对应一个时间段的医疗环境数据；所述区块链中，数据块按照数据块所对应医疗环境数据的生成时间先后排列。

3.根据权利要求2所述的基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，所述数据块由首字段、中间数据字段和尾字段组成；所述中间数据字段为一个时间段的医疗环境数据；所述尾字段为当前数据块的哈希值，计算数据块中除尾字段外其它所有字段数据生成当前数据块的哈希值；所述首字段为前一数据块尾字段写入的哈希值；所述区块链中，第一个数据块的首字段为设定的数据标识字段。

4.根据权利要求1所述的基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，所述超级节点定期向所述根节点服务器报告自身运行状态，以及响应根节点服务器的运行状态查询指令；若所述超级节点的运行状态未报告次数以及运行状态查询指令未响应次数达到设定值，则所述超级节点降级为终端节点；所述运行状态包含超级节点自身的系统资源丰裕度、运行时间以及医疗环境数据允许存储量。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，无线传感器网络监测子系统包括基站和多个传感器节点，传感器节点用于采集设定监测区域内的医疗环境数据，基站用于汇聚传感器节点采集的医疗环境数据，并将汇聚的医疗环境数据发送至与其连接的终端节点；无线传感器网络监测子系统中，网络初始化或基站重新构建多路径路由时，基站向网络中的传感器节点广播邻居列表构建消息，传感器节点在收到的邻居列表构建消息时执行：(1)检查邻居列表构建消息中上一跳传感器节点的标识是否在自己的邻居列表中，若不在，则添加该上一跳传感器节点到邻居列表，若存在，则丢弃邻居列表构建消息；(2)检查邻居列表构建消息中路由列表是否包含本传感器节点，若没有则将自身的标识添加到邻居列表构建消息的路由列表中，否则丢弃该邻居列表构建消息；当网络中无邻居列表构建消息转发或超过设定的时间阈值时，每个传感器节点都存储了本传感器节点到基站的多条路由路径。

6.根据权利要求5所述的基于区块链技术的医疗环境数据管理系统，其特征是，传感器节点根据路由路径的优选值由大到小的顺序对所存储的其到基站的多条路由路径进行排序，形成自身的路由路径列表，并在路由路径列表中优先选择排序较前的路由路径进行医疗环境数据包的发送，其中，由传感器节点计算所存储的其到基站的各条路由路径的优选值，设P_ij为第j条传感器节点i到基站的路由路径的优选值，P_ij的计算公式为：

式中，e_ij为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点个数，M为部署的传感器节点个数，v为设定的调节因子，为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点的平均剩余能量，Q_ij-min为所述第j条传感器节点i到基站的路由路径所包含的传感器节点中的最小剩余能量，Q_i为传感器节点i的剩余能量。