CN112333267A - 用于医疗设备物联网的数据采集终端 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种用于医疗设备物联网的数据采集终端，其包括数据采集模块、数据封装模块和数据转发模块；数据采集终端通过数据采集模块自与其连接的医疗设备采集数据；数据封装模块对所采集的数据进行封装打包；数据转发模块对经封装打包后的数据以数据流形式发送至医疗设备物联网的数据中心。本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端，在本地实现数据解析及标准化；通过在采集终端的实现数据的封装，不需要使用中间件服务器，可以实现轻量级的数据采集方案；通过与数据中心进行直接交互，可实现多个采集终端的同步数据流管理，从而实现数据溯源功能。

Description

用于医疗设备物联网的数据采集终端
技术领域
本申请涉及物联网技术，尤其涉及一种用于医疗设备物联网的数据采集终端。
背景技术
医疗设备每时每刻都在产生各类数据，如何有效采集、存储与利用这些医疗数据，为医院各项业务产生价值一直是医院关注的问题。基于物联网的概念与技术，通过对医疗设备安装数据采集终端可以有效采集医疗设备产生的实时数据，从而挖掘数据的内在价值。因此，医疗设备的数据采集方案及终端设计是医疗设备物联网建设中关键的一个环节。
目前的医疗设备采集终端产品中，通常会存在以下问题：1、对不同医疗设备厂家的数据协议解析通常是在中继服务器中进行从而需要消耗大量资源。2、出于各种原因，没有形成标准化的采集流程和数据格式。3、无法实现采集终端的数据流集成式管理。4、无法提供数据溯源服务。
发明内容
鉴于上述问题，本申请旨在提出一种用于医疗设备物联网的数据采集终端。
本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其包括数据采集模块、数据封装模块和数据转发模块；
数据采集终端通过数据采集模块自与其连接的医疗设备采集数据；
数据封装模块对所采集的数据进行封装打包；
数据转发模块对经封装打包后的数据以数据流形式发送至医疗设备物联网的数据中心。
优选地，所述数据采集模块包括串口通信子模块，所述医疗设备通过串口通信协议与所述数据采集模块进行通信。
优选地，所述数据采集模块包括设备协议和设备识别子模块，通过解析自所述医疗设备所采集的数据的协议来识别所述医疗设备。
优选地，所述数据采集模块包括重连机制子模块；当有串口端口或串口错误通知时进行串口重连；或当读写串口错误次数和解析数据失败次数之和超过3次时，进行串口重连。
优选地，所述数据封装模块包括数据解析子模块、标准封装子模块；
数据解析子模块将自所述医疗设备接收的数据根据该设备的数据协议进行解析；标准封装子模块对数据解析子模块的解析结果数据根据目标标准数据的协议进行重新映射，实现医疗数据的标准化封装。
优选地，所述数据封装模块包括网络通信子模块；网络通信子模块对经过标准化封装的医疗数据根据数据采集终端与所述数据中心的网络通信形式进行符合该网络通信协议的数据封装。
优选地，所述数据转发模块包括数据缓存子模块和数据发送机制子模块；在数据采集终端与所述数据中心的网络通信不畅通时，经数据封装模块封装的医疗数据在数据缓存子模块中进行缓存，待数据发送机制子模块监测到数据采集终端与所述数据中心的网络通重新畅通时再进行发送。
优选地，所述数据转发模块包括数据溯源子模块；数据溯源子模块对向所述数据中心的数据进行数据流管理，与所述数据中心建立实时交互，从而实现所述数据中心对与其连接的每个数据采集终端的数据流管理，从而实现数据源追溯及监控。
优选地，所述数据转发模块包括边缘计算子模块，用于识别经过标准化封装的医疗数据的开始与结束边界。
本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端，在本地实现数据解析及标准化；通过在采集终端的实现数据的封装，不需要使用中间件服务器，可以实现轻量级的数据采集方案；通过与数据中心进行直接交互，可实现多个采集终端的同步数据流管理，从而实现数据溯源功能。
附图说明
图1为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端与医疗设备以及数据中心的连接示意图；
图2为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端通过在CPU中配置采集程序、封装程序、转发程序来实现数据采集模块、数据封装模块和数据转发模块的示意图；
图3为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端的一个实施例的开发板的硬件资源示意图；
图4为图3的实施例的开发板的GPIO的管脚示意图；
图5为图3的实施例的通过GPIO扩展串口的连线示意图；
图6为串口的引脚示意图；
图7为医疗设备与本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端的连接示意图；
图8为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端的功能构造示意图；
图9为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端的工作流程示意图；
图10为本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端的数据采集模块的重连机制子模块的工作流程示意图；
图11为本申请的用于医疗设备物联网的设备协议和设备识别自模块的工作流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对本申请的用于医疗设备物联网的数据采集终端进行详细说明。
1.硬件设计
本发明中，硬件主板选用的是一款基于ARM的微型电脑主板，其中主要功能组件如图3所示。
1.1环境配置
对嵌入式系统的环境配置主要包括安装操作系统和配置Java编译环境。其中，操作系统选用该开发板默认的Raspberry Pi OS(32-bit)，利用TF卡的方式，将操作系统安装至嵌入式开发板中，再进行系统初始化配置即可；Java编译环境选择Oracle JDK 1.7版本，通过下载安装嵌入式版本，然后在/etc/profile文件末尾增加配置即可完成Java环境安装。
1.2串口连接
主板配有40针的GPIO用于硬件扩展，如图4所示，包括电源与接地、I2C接口、SPI接口、UART接口以及PWM接口等。在本发明中通过UART口和5V电源扩展RS232串口。
UART有4个pin(VCC，GND，RX，TX)，用的TTL电平，低电平为0(0V)，高电平为1(3.3V或以上)。本发明选用型号为DB-9的RS-232-C接口连接器，而RS-232标准是正电平为0，负电平为1。因此，选用的RS232接口需要带有TTL转换器，将串行接口数据发送(TXD)和数据接收(RXD)的信号转换成TTL/COMS的兼容电平，转换成TTL的电平为0-3.3V，内部带有零延时自动收发转换，独有的I/O电路自动控制数据流方向，而不需任何握手信号(如RTS、DTR等)，从而保证了RS-232在全双工方式下编写的程序无需更改便可在TTL方式下运行。如图5所示，为扩展后的串口连接方式。
1.3串口配置
该嵌入式主板中有两个串口可以使用，一个是硬件串口,另一个是mini串口。硬件串口有单独的波特率时钟源，性能好，稳定性强；mini串口功能简单，波特率由CPU内核时钟提供，受内核时钟影响稳定性较差。默认的硬件串口已分配给蓝牙模块使用，而性能较差的mini串口是分配给GPIO串口TXD0、RXD0，因此需要重新进行串口配置。具体步骤如下：
(1)首先运行ls/dev-al命令查看默认的串口分配方式；
(2)输入sudo raspi-config命令进入系统配置界面,选择第五个InterfacingOptions，然后选择P6 Serial；
(3)选择关闭串口登录功能，打开硬件串口调试功能；
(4)输入sudo vim/boot/config.txt命令；
重启主板后，再次输入ls/dev-al，可以看到两个串口已经互相换位置。
1.4设备连接
RS232C每个针脚的序号如图6所示，功能分别为：1脚(DCD)数据载波检测，2脚(RXD)接收数据，3脚(TXD)发送数据，4脚(DTR)数据终端准备，5脚(SG)信号地，6脚(DSR)数据设备准备好，7脚(RaS)请求发送，8脚(CTS)清除发送，9脚(RI)振铃指示。串口线分直通和交叉，将2、3、5分别连接2、3、5，因为主板上一般为公头，而医疗设备上的串口多为母头，所以使用直通串口线，既可用于延长也可用于连接。
在本发明中，对监护仪与数据采集终端进行了连接测试。该监护仪通过AUX RJ45口向外发送监护数据，连接数据采集终端时需要将RJ45转换为RS232，如图7所示，RJ45转RS232时需要采用交叉连接方式。
2.软件设计
采集终端如图8所示。数据终端程序将数据采集封装后通过网络交由Minifi将数据传送至数据中心。
数据终端采集程序通过Java语言编写，分为采集程序、封装程序和转发程序三个部分，执行流程如图9所示。
2.1采集程序
采集程序基于串口通信原理实现从串口采集医疗设备数据，并可实现采集终端的断线重连及医疗设备自动识别功能。
·串口通信
本发明通过JNA对Termios(串口配置参数结构)进行封装，从而实现Java版本的串口通信，包括串口打开、关闭、数据读写、异步通信等。
·断开重连
程序断开重连机制如图10所示，首先程序监听串口事件，当有串口端口或串口错误通知时进行串口重连，同时记录程序读写串口错误次数和解析数据失败次数，当总次数超过3次时，进行重连。
·设备识别
由于同一串口可能连接不同的医疗设备，为了减少对操作人员的依赖，需要实现设备自动识别的功能。在本发明中实现该功能的主要原理是通过遍历医疗设备列表的方式来检测串口，具体过程如下：
(1)在采集程序中定义设备列表，其中包括设备型号、品牌等基本信息；
(2)各种品牌类型的医疗设备的数据协议互不相同，基于这些数据协议定义每种医疗设备对应的数据请求命令包；
(3)当采集终端与医疗设备连接时，采集程序启动开始逐个遍历设备列表；
(4)对当前遍历的医疗设备N，执行对应的数据请求命令；
(5)如果可以顺利数据连接、并完成完整的数据读取、数据解析任务，则判断当前连接的设备为N，反之则继续遍历列表中的下一个对象。
2.2封装程序
本程序通过开源库HAPI实现将医疗数据按照标准HL7协议封装。封装数据主要包括ORU、MSH、PID、OBR、OBX等段。其中，ORU为最外层封装，表示内容为监测数据；MSH为数据头部信息，包括发送程序、接收程序、消息时间等相关信息；PID包含患者信息，组包是从本地的config.ini配置文件中读取床位号等信息填充该段；OBR为监测请求相关的信息；OBX为监测信息，医疗设备数据即放在该段。
在OBX段需要对医疗设备数据的语义进行标准化重新定义。采集终端从医疗设备读取的原始数据类型由16进制编码表示，如0x7A、0xB5等形式。其中原始映射关系由医疗设备数据协议定义，16进制编码与协议中定义的医学术语及单位一一对应。由于每种医疗设备的数据协议均不相同，因此对于相同的16进制编码会有不同的数据语义定义。在本发明中，基于国际标准IHE中的Rosetta码实现了医疗设备数据的标准化语义映射，通过一一筛查、比对，将原始16进制编码与标准化MDC术语体系之间建立了唯一映射，并设置了数据关系树体系避免了数据语义的二义性，从而实现了医疗设备数据完整的、标准化的HL7数据封装。
2.3转发程序
通过在采集终端加载数据流管理软件，可实现数据的溯源功能。在本发明中，数据流管理选用Minifi-Nifi方案，在采集终端中安装Minifi，在数据中心部署Nifi集群，Minifi可与Nifi进行实时交互从而实现数据中心对于每个采集终端的数据流管理，即可实现数据源追溯及监控。
为了实现该方案，采集终端需将封装好的数据报文交由Minifi进行后续的数据流推送。由于封装报文是基于HL7进行的，因此转发程序与Minifi之间的通信采用了HL7组织定义的最小底层协议(MLLP:Minimum Lower Layer Protocol)来标记消息的开始和结束边界。MLLP使用如下格式：其中，<SB>为1字节，二进制为0x0B，<EB>为1字节，二进制为0x1C，<CR>为1字节，二进制为0x0D。
Minifi实现HL7服务器端，程序实现HL7客户端，两者通过TCP协议进行通信。客户端主动连接服务器端，发送MLLP数据后，服务器返回ACK数据包，该数据也遵循MLLP格式。本程序实现缓存机制，当发送失败缓存近10分钟(可配置)的数据，待发送通道畅通后重新补发数据。
尽管本申请的实施例中，数据采集模块、数据封装模块和数据转发模块均是通过在CPU是运行的程序来实现的，但是，采集模块、数据封装模块和数据转发模块也可以是单独的电路设置。
除非另有定义，本申请中使用的所有技术和/或科学术语具有与由本发明所涉及的领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本申请中提到的材料、方法和实施例仅为说明性的，而非限制性的。
虽然已结合具体实施方式对本发明进行了描述，在本申请的发明主旨下，本领域的技术人员可以进行适当的替换、修改和变化，这种替换、修改和变化仍属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于医疗设备物联网的数据采集终端，其包括数据采集模块、数据封装模块和数据转发模块；
数据采集终端通过数据采集模块自与其连接的医疗设备采集数据；
数据封装模块对所采集的数据进行封装打包；
数据转发模块对经封装打包后的数据以数据流形式发送至医疗设备物联网的数据中心。
2.如权利要求1所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据采集模块包括串口通信子模块，所述医疗设备通过串口通信协议与所述数据采集模块进行通信。
3.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据采集模块包括设备协议和设备识别子模块，通过解析自所述医疗设备所采集的数据的协议来识别所述医疗设备。
4.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据采集模块包括重连机制子模块；当有串口端口或串口错误通知时进行串口重连；或当读写串口错误次数和解析数据失败次数之和超过3次时，进行串口重连。
5.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据封装模块包括数据解析子模块、标准封装子模块；
数据解析子模块将自所述医疗设备接收的数据根据该设备的数据协议进行解析；标准封装子模块对数据解析子模块的解析结果数据根据目标标准数据的协议进行重新映射，实现医疗数据的标准化封装。
6.如权利要求5所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据封装模块包括网络通信子模块；网络通信子模块对经过标准化封装的医疗数据根据数据采集终端与所述数据中心的网络通信形式进行符合该网络通信协议的数据封装。
7.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据转发模块包括数据缓存子模块和数据发送机制子模块；在数据采集终端与所述数据中心的网络通信不畅通时，经数据封装模块封装的医疗数据在数据缓存子模块中进行缓存，待数据发送机制子模块监测到数据采集终端与所述数据中心的网络通重新畅通时再进行发送。
8.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据转发模块包括数据溯源子模块；数据溯源子模块对向所述数据中心传输的数据进行数据流管理，与所述数据中心建立实时交互，实现所述数据中心对与其连接的每个数据采集终端的数据流管理，从而实现数据源追溯及监控。
9.如权利要求2所述的用于医疗设备物联网的数据采集终端，其特征在于：
所述数据转发模块包括边缘计算子模块，用于识别经过标准化封装的医疗数据的开始与结束边界。
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