CN108829166B - 医疗器械储存环境智能监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了医疗器械储存环境智能监测系统，包括数据采集子系统、监控终端、环境调节装置；所述数据采集子系统负责采集环境数据并将环境数据发送至该监控终端；所述监控终端对环境数据进行分析处理，在环境数据超出预设指标阈值时生成相应的控制指令，并根据控制指令控制环境调节装置的运行，以调节医疗器械储存区域内的环境。

Description

医疗器械储存环境智能监测系统

技术领域

本发明涉及医疗监测领域，具体涉及医疗器械储存环境智能监测系统。

背景技术

医疗器械储存环境的把控，例如存储温度、湿度等，关乎到医疗器械的寿命与安全。特别是在高值耗材医疗器械的存储过程中，存储环境的变化对医疗器械的质量和安全尤为重要。

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。

发明内容

针对上述问题，本发明基于无线传感器网络技术，提供一种医疗器械储存环境智能监测系统。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

提供了医疗器械储存环境智能监测系统，包括数据采集子系统、监控终端、环境调节装置；所述数据采集子系统包括单个基站、单个汇聚节点和多个部署于医疗器械储存区域内的传感器节点，网络初始化时，将传感器节点划分为多个簇组，并从每个簇组中选取一个簇头，其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择；传感器节点采集所监测位置的环境数据，并将环境数据单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内环境数据的接收和处理，并将处理后的环境数据发送至汇聚节点，以由汇聚节点将环境数据传输到基站；所述基站与所述监控终端通信连接，以将接收的环境数据发送至该监控终端；所述监控终端对环境数据进行分析处理，在环境数据超出预设指标阈值时生成相应的控制指令，并根据控制指令控制环境调节装置的运行，以调节医疗器械储存区域内的环境。

优选地，所述环境调节装置包括温度调节模块、湿度调节模块，所述监控终端包括存储器、处理器、第一控制器和第二控制器，其中第一控制器、第二控制器的输入端皆与处理器连接，第一控制器的输出端与温度调节模块连接，第二控制器的输出端与湿度调节模块连接；所述存储器存储有预设指标阈值，存储器与处理器通信连接。其中，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器。

本发明的有益效果为：以无线传感器网络技术为基础，实现了对医疗器械储存环境的监测，并能够根据监测到的环境数据，自动控制环境调节装置的运行，实现了医疗器械储存区域内的环境的智能控制。

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医疗器械储存环境智能监测系统的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的监控终端的结构示意框图。

附图标记：

数据采集子系统1、监控终端2、环境调节装置3、存储器10、处理器20、第一控制器30、第二控制器40。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

图1示出了本发明一个示例性实施例的医疗器械储存环境智能监测系统的结构示意框图。如图1所示，本实施例提供了一种医疗器械储存环境智能监测系统，该系统包括数据采集子系统1、监控终端2、环境调节装置3。

所述数据采集子系统1包括单个基站、单个汇聚节点和多个部署于医疗器械储存区域内的传感器节点，网络初始化时，将传感器节点划分为多个簇组，并从每个簇组中选取一个簇头，其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择；传感器节点采集所监测位置的环境数据，并将环境数据单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内环境数据的接收和处理，并将处理后的环境数据发送至汇聚节点，以由汇聚节点将环境数据传输到基站；所述基站与所述监控终端2通信连接，以将接收的环境数据发送至该监控终端2。

所述监控终端2对环境数据进行分析处理，在环境数据超出预设指标阈值时生成相应的控制指令，并根据控制指令控制环境调节装置3的运行，以调节医疗器械储存区域内的环境。

在一种能够实现的方式中，该环境调节装置3包括温度调节模块、湿度调节模块，如图2所示，监控终端2包括存储器10、处理器20、第一控制器30和第二控制器40，其中第一控制器30、第二控制器40的输入端皆与处理器20连接，第一控制器30的输出端与温度调节模块连接，第二控制器40的输出端与湿度调节模块连接；所述存储器10存储有预设指标阈值，存储器10与处理器20通信连接。

其中，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器。从而，所述环境数据包括各监测位置的温度数据、湿度数据。在一种实施方式中，该温度调节模块包括多个温度调节单元，其中每个传感器节点所监测位置设置一个温度调节单元，而第一控制器30与各温度调节单元通信连接。同样的，该湿度调节模块可包括多个湿度调节单元，其中每个传感器节点所监测位置设置一个湿度调节单元，而第二控制器40与各湿度调节单元通信连接。

温度的调节方式可为：当监控终端2分析环境数据时，某一个监测位置的温度数据超出对应的温度阈值时，处理器20将生成调节温度的控制指令至第一控制器30，该控制指令可包括控制运行的温度调节单元的识别信息、温度调节信息等，从而第一控制器30根据该控制指令控制对应的温度调节单元运行，以使附近的温度符合该温度调节信息。同样地，可设置湿度的调节方式如同上述温度调节的方式。

作为优选，所述温度调节单元为空调设备，所述湿度调节单元为干燥设备。

在另一种能够实现的方式中，可将第一控制器30和第二控制器40整合为同一个控制器，使得温度调节模块与湿度调节模块的运行皆由同一个控制器控制。

在一种能够实现的方式中，该环境调节装置3还可包括其他可用于调节环境的模块，例如亮度调节模块、通风调节模块等。根据环境调节装置3中模块的增加，所述的监控终端2可增设第三控制器、第四控制器等。

本发明上述实施例以无线传感器网络技术为基础，实现了对医疗器械储存环境的监测，并能够根据监测到的环境数据，自动控制环境调节装置3的运行，实现了医疗器械储存区域内的环境的智能控制。

在一种能够实现的方式中，传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型，而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型；所述的将传感器节点划分为多个簇组，包括：

(1)将设定的医疗器械储存区域平均划分为m个子区域，其中按照下列公式确定m：

式中，δ₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，δ₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，N为部署的传感器节点个数，S为所述医疗器械储存区域的面积，d_ch,o为传感器节点到汇聚节点的平均距离；int为取整函数；

(2)按照下列公式计算每个子区域的重心位置，选择距离重心位置最近的传感器节点作为簇中心：

式中，ρ_i表示第i个子区域的重心位置，i＝1,…,m，x(j)表示所述第i个子区域中第j个传感器节点所在位置的横坐标，y(j)为所述第j个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，n_i为所述第i个子区域具有的传感器节点个数；

(3)基于选择好的m个簇中心对所有传感器节点进行分簇，各传感器节点加入到距离最近的簇中心对应的簇组内，从而完成簇组的初始化。

现有技术中对传感器节点进行分簇时，初始簇中心是随机选择的，分簇的效果依赖于初始簇中心的选择，不均衡的簇中心分布会导致分簇结果陷入局部最优。本实施例提出了一种新的簇组划分机制，该机制通过将医疗器械储存区域平均划分为多个子区域，并选择距离每个子区域重心位置最近的传感器节点作为簇中心。本实施例能够保证初始的簇中心尽量均匀地分布在整个医疗器械储存区域内，提升了分簇结果的全局最优性能。簇组数与网络内传感器节点的能耗息息相关，本实施例基于医疗器械储存区域的实际情况以及传感器节点的部署情况，还设计了医疗器械储存区域划分成子区域的数目的计算公式，根据该计算公式确定子区域的数目，相对于随机设定的方式，优化了簇组数，有利于节省网内传感器节点的能耗，进而节省医疗器械储存区域的环境数据采集成本。

在一个实施例中，设簇头选取轮数为所述从每个簇组中选取一个簇头，包括：

(1)计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率，并按照概率由大到小的顺序对各传感器节点进行排序：

式中，P_ab(r)为第a个簇组内任意传感器节点b在第r轮通信过程中担任簇头的概率，当簇组内所有传感器节点在之前的通信过程中都担任过一次簇头后，r将被重置为1，在接下来的通信过程中r逐渐增长到1_a为所述第a个簇组具有的传感器节点个数；当所述传感器节点b在过去r轮通信过程中担任过簇头时，f_b(r)＝0.5，所述传感器节点j在过去r轮通信过程中未担任过簇头时，f_b(r)＝1；E_b为所述传感器节点b的当前剩余能量，E_c为所述第a个簇组内第c个传感器节点的当前剩余能量，n_a为所述第a个簇组内具有的传感器节点数量，D_b为所述传感器节点b与第a个簇组内所有传感器节点的距离和，D_c为所述第c个传感器节点与第a个簇组内所有传感器节点的距离和；λ₁、λ₂为预设的权重系数；

(2)将排序最前的传感器节点作为备选簇头，预测其作为簇头的总能耗，若该总能耗不超过预设的最大能耗阈值E_max，则直接选择该备选簇头担任本轮次的簇头，否则重新选择下一位的传感器节点作为备选簇头，直至选择的备选簇头的总能耗不超过E_max。

其中，设定总能耗的预测公式为：

式中，为预测的备选簇头k担任新簇头后的总能耗，k＝1,2，为备选簇头k所在簇内的传感器节点数量，E₀为设定的簇头接收和处理单位环境数据的能耗，d_k,o为所述备选簇头k到汇聚节点的距离，E_elc为电路能耗参数，δ₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，δ₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，d_g,k为备选簇头k所在簇内的第g个传感器节点到所述备选簇头k的距离。

本实施例提出了一种新的簇头选择机制，该机制中先计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率，然后选择概率最大及概率次大的传感器节点作为备选簇头，并进一步预测备选簇头担任簇头的总能耗，最后选择总能耗满足阈值条件的备选簇头作为当前轮次的簇头。其中本实施例创新性地提出了所述概率的计算公式，根据该计算公式，当前能量较多、未担任过簇头、与簇内其他传感器节点距离较近的传感器节点具有更大的概率。

本实施例基于能量的基础上，相对于现有技术还考虑了传感器节点担任簇头的经历情况，有利于保持传感器节点之间的能耗均衡性，且还考虑了传感器节点在簇内的位置情况，有利于保证簇内传感器节点与簇头的总能耗最小；通过预测备选簇头担任簇头时的总能耗，并选择总能耗不超过预设的最大能耗阈值的备选簇头作为最终的簇头，能够避免传感器节点因担任簇头而大量消耗能量。本实施例在每一轮通信开始之前都选择最合适的传感器节点担任簇头，有效保证了簇头工作的稳定性和整个网络的可靠性，进一步提高医疗器械存储环境的监测可靠性。

在一个实施例中，汇聚节点定期获取每个传感器节点的能量信息，并根据能量信息检测每个簇组是否满足能量警告条件，若存在簇组满足能量警告条件，汇聚节点向该簇组对应的簇头发送分簇指令，所述分簇指令包括该簇组的传感器节点平均能量E_avg；该对应的簇头接收到分簇指令后，在其簇内的剩余能量大于E_avg的传感器节点中选择相距最远的传感器节点作为另一簇头，簇内的其余传感器节点在簇组的两个簇头中重新选择距离最近的簇头加入，从而该簇组被划分为两个簇组；所述能量警告条件设定为：

式中，E_α表示簇组β中的第α个传感器节点，n_β为所述簇组β中的传感器节点数量，E_max为所述最大能耗阈值。

本实施例在簇组内的传感器节点的能量满足能量警告条件时，创新性地通过增加分簇的数量的方式减少每个簇组内的传感器节点数量。本实施例能够在能量不足时有效降低簇头传输的环境数据量，从而有效降低簇头的能耗，从而保证系统通信的正常运行，有效延长环境数据传输工作的周期，提高医疗器械存储环境智能监测系统运行的稳定性。

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.医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，包括数据采集子系统、监控终端、环境调节装置；所述数据采集子系统包括单个基站、单个汇聚节点和多个部署于医疗器械储存区域内的传感器节点，网络初始化时，将传感器节点划分为多个簇组，并从每个簇组中选取一个簇头，其中在每一轮通信开始之前都要对簇头重新进行选择；传感器节点采集所监测位置的环境数据，并将环境数据单跳发送至对应的簇头；簇头负责簇内环境数据的接收和处理，并将处理后的环境数据发送至汇聚节点，以由汇聚节点将环境数据传输到基站；所述基站与所述监控终端通信连接，以将接收的环境数据发送至该监控终端；所述监控终端对环境数据进行分析处理，在环境数据超出预设指标阈值时生成相应的控制指令，并根据控制指令控制环境调节装置的运行，以调节医疗器械储存区域内的环境；传感器节点发送能耗采用自由空间损耗模型，而簇头与汇聚节点之间进行通信时采用多径衰减模型；设簇头选取轮数为所述从每个簇组中选取一个簇头，包括：

(1)计算簇组内各传感器节点在当前轮次担任簇头的概率，并按照概率由大到小的顺序对各传感器节点进行排序：

式中，P_ab(r)为第a个簇组内任意传感器节点b在第r轮通信过程中担任簇头的概率，N为部署的传感器节点个数，m为将设定的医疗器械储存区域平均划分的子区域数目，为对的计算结果取整；当簇组内所有传感器节点在之前的通信过程中都担任过一次簇头后，r将被重置为1，在接下来的通信过程中r逐渐增长到当所述传感器节点b在过去r轮通信过程中担任过簇头时，f_b(r)＝0.5，所述传感器节点b在过去r轮通信过程中未担任过簇头时，f_b(r)＝1；E_b为所述传感器节点b的当前剩余能量，E_c为所述第a个簇组内第c个传感器节点的当前剩余能量，n_a为所述第a个簇组内具有的传感器节点数量，D_b为所述传感器节点b与第a个簇组内所有传感器节点的距离和，D_c为所述第c个传感器节点与第a个簇组内所有传感器节点的距离和；λ₁、λ₂为预设的权重系数；

(2)将排序最前的传感器节点作为备选簇头，预测其作为簇头的总能耗，若该总能耗不超过预设的最大能耗阈值E_max，则直接选择该备选簇头担任本轮次的簇头，否则重新选择下一位的传感器节点作为备选簇头，直至选择的备选簇头的总能耗不超过E_max；

设定总能耗的预测公式为：

式中，为预测的备选簇头k担任新簇头后的总能耗，k＝1,2，为备选簇头k所在簇内的传感器节点数量，E₀为设定的簇头接收和处理单位环境数据的能耗，d_k,o为所述备选簇头k到汇聚节点的距离，E_elc为电路能耗参数，δ₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，δ₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，d_g,k为备选簇头k所在簇内的第g个传感器节点到所述备选簇头k的距离。

2.根据权利要求1所述的医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，所述环境调节装置包括温度调节模块、湿度调节模块，所述监控终端包括存储器、处理器、第一控制器和第二控制器，其中第一控制器、第二控制器的输入端皆与处理器连接，第一控制器的输出端与温度调节模块连接，第二控制器的输出端与湿度调节模块连接；所述存储器存储有预设指标阈值，存储器与处理器通信连接。

3.根据权利要求2所述的医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，所述传感器节点包括温度传感器、湿度传感器。

4.根据权利要求2所述的医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，温度调节模块包括多个温度调节单元，其中每个传感器节点所监测位置设置一个温度调节单元，而第一控制器与各温度调节单元通信连接。

5.根据权利要求1所述的医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，所述的将传感器节点划分为多个簇组，包括：

(1)将设定的医疗器械储存区域平均划分为m个子区域，其中按照下列公式确定m：

式中，δ₁为基于自由空间损耗模型的功放能耗系数，δ₂为基于多径衰减模型的功放能耗系数，N为部署的传感器节点个数，S为所述医疗器械储存区域的面积，d_ch,o为传感器节点到汇聚节点的平均距离；int为取整函数；

(2)按照下列公式计算每个子区域的重心位置，选择距离重心位置最近的传感器节点作为簇中心：

式中，ρ_i表示第i个子区域的重心位置，i＝1,…,m，x(j)表示所述第i个子区域中第j个传感器节点所在位置的横坐标，y(j)为所述第j个传感器节点所在位置的纵坐标，其中以汇聚节点为坐标原点，n_i为所述第i个子区域具有的传感器节点个数；

(3)基于选择好的m个簇中心对所有传感器节点进行分簇，各传感器节点加入到距离最近的簇中心对应的簇组内，从而完成簇组的初始化。

6.根据权利要求1所述的医疗器械储存环境智能监测系统，其特征是，汇聚节点定期获取每个传感器节点的能量信息，并根据能量信息检测每个簇组是否满足能量警告条件，若存在簇组满足能量警告条件，汇聚节点向该簇组对应的簇头发送分簇指令，所述分簇指令包括该簇组的传感器节点平均能量E_avg；该对应的簇头接收到分簇指令后，在其簇内的剩余能量大于E_avg的传感器节点中选择相距最远的传感器节点作为另一簇头，簇内的其余传感器节点在簇组的两个簇头中重新选择距离最近的簇头加入，从而该簇组被划分为两个簇组。