物聯網技術在醫院環境智能監控中的應用

段振衛

（邯鄲市第一醫院，河北 邯鄲 056000）

隨著數字化轉型不斷推進，物聯網技術在各行各業中的應用越來越廣泛[1]。在醫院環境中，使用物聯網技術可以進行智能監控，提高醫院環境的安全性和效率。本文通過對系統總框架進行設計，將基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統分為感知層、網絡層、平臺層以及應用層。通過設計其硬件構成及軟件內容，構建了基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統[2]。在軟件設計期間，通過應用MQTT 協議，實現了網絡通信，并將數據成功發布到預定的主題中。采用最小二乘估計算法得出了最佳擬合線，并有效優化了醫院溫/濕度設備的控制參數。通過進行系統測試，證實了MQTT 協議可以滿足系統通信需求，在設定閾值的基礎上，該系統能夠結合閾值要求及時對醫院異常溫度情況進行報警，保障醫院環境的安全和穩定。上述設計旨在提高醫院環境的安全性和效率，為醫院的數字化轉型提供一定支持。

1 系統總框架設計

基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統由感知層、網絡層、平臺層和應用層構成。應用層是基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統的最上層，直接面向用戶，提供各種應用服務[3]。在應用層中可進行醫院環境智能監控。網絡層通過連接網絡協議接口，進行感知層和應用層間的數據傳輸和通信。平臺層為系統提供了各種服務工具，輔助進行用戶管理和監控系統。系統框架設計如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統總框架設計圖

基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統以WSN 為設計基礎[4]。其中，感知層可采集醫院內部環境中溫/濕度，通過在醫院各科室及病房中安裝溫/濕度傳感器和紅外線傳感器，全面及時地獲取醫院內部溫/濕度及人流量狀態參數信息。網絡層通過通信基站來傳輸從感知層獲得的醫院環境數據。由于感知層內收集的數據量較大，因此經過網絡層時，應對其進行壓縮編碼及加密處理，再通過網絡層存儲至平臺層服務器中。平臺層由Web 服務器Apache、數據庫服務器MongoDB 以及Niginx 代理服務器等部分組成，集合處理所需數據后傳送至應用層[5]。應用層用于管理整個醫院的環境智能監控系統。在醫院環境智能監控系統中，通過在醫院的各節點位置部署溫/濕度監測節點，可監測醫院科室及病房內的空氣溫/濕度環境問題。通過控制設備節點，能夠有效控制整個醫院的內部設備，并在醫院科室及病房中連接紅外線傳感器，通過分析紅外視頻圖像，監控醫院各科室及病房內的人員流量，有效采集醫院內部溫度實時變動信息，并通過互聯網傳遞至服務器。醫院系統管理員可以直接登錄網站訪問系統，從而獲取醫院內部溫/濕度環境實時信息，并通過網站發布相關指令，控制醫院控溫設備。

2 硬件設計

基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統硬件部分由傳感器、控制器、通信模塊及電源模塊組成，如圖2所示。

圖2 環境參數采集節點系統框圖

由圖2 可知，該系統傳感器分別采用了AS1136 紅外傳感器和DHT11 溫濕度傳感器。AS1136 可以檢測人流量，并將其轉換為電信號，可以與各種計數器設備配合使用，記錄通過傳感器的總人數。DHT11 是一款數字溫/濕度傳感器，具有精度高、穩定性好等優點，能夠與各種控制器配合使用，進行溫/濕度監測和控制。系統控制器采用BeagleBone Black。該控制器是一款基于Linux 系統的控制器，具有豐富的接口和擴展性，可以通過編程控制各種傳感器和執行器，適用于醫院環境智能監控項目開發。Arduino Wi-Fi Cooja 模塊是一款基于Wi-Fi 協議的通信模塊，可以通過編程控制Wi-Fi 連接和數據傳輸。電源模塊可以將12V 交流電轉換為5V 直流電，為節點運行提供穩定的供電服務，確保系統各節點能夠穩定運行。

3 軟件設計

3.1 系統通信

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協議作為一種輕量級的消息發布/訂閱協議，可用于物聯網（IoT）和遠程監控場景[6]。MQTT 協議可使傳感器通過網絡進行通信，并將數據發布到預定的主題上?；谖锫摼W技術的醫院環境智能監控系統通信流程如圖3所示。

圖3 MQTT 智能監控系統通信流程圖

待系統接入電源后，執行系統初始化任務。該任務包括系統時鐘和I/O 口的初始化。結束初始化任務后，基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統會進行自檢，測試所使用的Arduino Wi-Fi Cooja 模塊是否能夠正常接入傳感器并進行通信采集數據。如果自檢未通過，系統會判斷是否超時，發生超時則直接結束系統任務，否則跳轉至系統初始化任務并進行二次自檢。當系統提示自檢通過時，則連接Nginx 代理服務器，然后采集數據并將數據打包成字符串形式進行發布。

3.2 信息采集及存儲

醫院的環境對患者的健康至關重要[7]。采集醫院環境參數數據可以實時監控空氣質量、溫/濕度等醫院環境因素，有助于工作人員及時發現空氣污染、濕度過高或過低等異常情況，從而有效保證患者的健康[8]。

當系統接入電源后，通過內置的識別模塊識別外部傳感器，判斷各傳感器是否已建立有效連接。該過程旨在對傳感器進行通信測試，可確保傳感器能夠正確地與系統進行數據交換。如果傳感器未建立有效連接，系統將無法正常采集數據，需要重新建立連接后二次采集數據。如果系統能識別出外部傳感器并建立了有效連接，則通過數據緩沖區對采集數據進行優化處理。該過程包括對數據進行預處理、過濾和轉換等操作，以提高數據的質量和可用性。系統獲取到所需數據后，調用RFID 讀寫器將這些數據傳輸到系統內部進行處理或存儲[9]。在調用數據期間，系統會不斷地讀取RFID 標簽的信息并與內部數據進行比較，以驗證數據的準確性和完整性。如果識別數據失敗，即識別過程超時，系統將錯誤信息記錄到日志文件中，以便后續分析和排查問題。如果數據在識別過程中沒有發生問題，系統會直接將數據存入本地文件系統或本地數據庫中，以實現醫院環境智能監控的特定應用功能。

3.3 數據融合

在基于物聯網技術的醫院環境智能監控系統中，采用數據融合方法可將多個傳感器采集的數據進行整合和處理，以提高數據的質量和可用性。通過應用最小二乘估計，能夠得出一組最佳擬合線或最佳擬合曲面。然后計算每個傳感器對的協方差矩陣。協方差矩陣是一個方陣，表示2 個傳感器測量結果之間的協方差。協方差矩陣如公式（1）所示。

式中：sigma（x）和sigma（y）分別是傳感器x和傳感器y的標準差；R是一個旋轉矩陣，用于將傳感器坐標系轉換為數據坐標系。

對協方差矩陣進行特征值分解，可得到特征值和特征向量。特征向量表示數據空間中的方向，特征值表示這些方向上的方差。根據特征值和特征向量計算最小二乘估計。最小二乘估計是一個向量，表示在數據空間中的最佳擬合線或最佳擬合曲面。LS最小二乘估計如公式（2）所示。

式中：ei是第i個傳感器的測量結果的向量；lambdai是對應第i個傳感器的特征值。

特征值表示數據空間中的方向上的方差，測量結果向量表示在該方向上的測量結果。通過最小化LS向量中所有分量的平方誤差的平方和，可以得到最佳擬合線，優化醫院溫/濕度設備的控制參數，為醫生和患者提供更舒適的環境。

3.4 監控預警

在環境監控期間，需要對醫院內部環境進行溫/濕度預測，根據實際情況，選擇時間序列模型，以提高預測準確性和可靠性。獲取到當前測量結果向量和特征向量后，應使用最小二乘法計算最佳擬合線。首先，確定最佳擬合線的二次函數形式，并根據特征值表示數據空間中的方向上的方差，計算出特征向量。其次，根據測量結果向量表示該方向上的測量結果，計算出測量結果向量。再次，根據最小二乘法的原理計算出最小二乘解。最小二乘解中包括最佳擬合線的斜率、截距以及擬合誤差的方差。根據當前時間計算出未來的測量結果向量。模型預測值則通過時間序列回歸模型的預測函數獲得。將未來的測量結果向量代入最佳擬合線中，即可得出預測溫/濕度值。最后，根據預測溫/濕度值，可判斷出醫院環境智能監控系統是否需要進行預警。

4 系統測試

4.1 測試準備

根據系統的需求和開發環境，測試采用了320 臺AS1136紅外傳感器和320 臺DHT11 溫濕度傳感器，測試期間采用BeagleBone Black 系統控制器控制傳感器設備，并采用MQTT協議完成設備與系統之間的通信任務。根據測試計劃和測試用例，執行測試并記錄測試結果。系統抽取的10 組測試用例數據見表1。

表1 抽取測試用例數據

表2 中抽取的10 組樣本數據可用于測試系統在不同溫度、濕度和通道人流量條件下發生預警的及時性。通過應用上述數據，可以驗證系統是否能夠準確監測醫院環境中的參數，并及時觸發報警。同時，上述數據也能夠評估系統的性能及穩定性，為系統的進一步開發和應用提供重要保障。

表2 智能監控報警情況

4.2 測試結果

4.2.1 通信測試

使用MQTT 作為消息傳輸協議期間，系統通過紅外傳感器和溫/濕度傳感器成功監測到醫院環境中的溫度、濕度和人流量等參數。測試期間總共獲取了78465 組測試數據。這些數據涵蓋了不同條件下的醫院環境。測試證實了使用MQTT 協議能夠有效傳輸傳感器數據，使系統能夠實時展示醫院環境數據。同時，在測試期間還發現，對智能監控醫院環境系統而言，MQTT 協議具有良好的可靠性和穩定性，能夠保證數據的準確傳輸和展示。測試證明，通過應用MQTT協議，可以確保系統滿足通信需求，并實時監測醫院環境中的各項參數，能夠提高醫院環境的質量和安全性，為醫生和病人提供更舒適和安全的環境。

4.2.2 報警測試

通過監測不同條件下醫院環境中的溫度、濕度和通道流量等參數，并比較測試結果與設定閾值范圍，來測試智能監控系統監測到異常狀況后的報警情況，結果見表2。

表2 數據證實了系統報警功能的可行性。在測試期間，當溫/濕度及通道人流量超過預設閾值時，系統成功地觸發了報警，表明系統能夠監測到醫院環境中的異常情況，并在第一時間向監控人員發出警報。測試結果表明，系統能夠根據傳感器數據和預設閾值及時發現異常情況并觸發報警，可保障醫院環境的安全和穩定。

5 結語

采用物聯網技術對醫院環境進行智能監控可提升醫院在智能環境監測過程中的安全性和穩定性。因此在數字化轉型背景下，物聯網技術在醫院環境智能監控領域具有良好的應用前景。通過應用物聯網技術，可以實現自動化控制和智能化管理，減少人工干預和操作時間、成本，提高醫院環境的運行效率和管理水平。未來，隨著物聯網技術不斷發展，醫院環境智能監控領域還將出現更多的技術應用及創新方法，促進醫療信息的共享和互聯互通，以期為醫院的數字化轉型提供更多參考。