物联网系统设计-医疗物联网课件

物联网系统设计

医疗物联网重庆邮电大学物联网系统设计

医疗物联1主要内容医疗物联网背景概述医疗物联网系统设计医疗物联网案例分析主要内容医疗物联网背景概述2医疗物联网发展的背景随着我国医疗改革事业的深入推进，智慧地球、智慧城市等物联网技术的应用不断渗透。为了解决我国医疗资源欠缺、分布不均、资源利用率低下的一系列问题，医疗物联网成为物联网应用积累共性关键技术解决方案、应用解决方案、服务运营和推广应用模式的重要手段。医疗物联网发展的背景随着我国医疗改革事业的深入推进，智慧地球3医疗物联网的典型应用需求资源管理：包括对药品、医护人员、患者、医疗设备的管理与监控；电子健康档案：包括个人基本健康信息档案、疾病控制档案、妇幼保健档案、医疗服务档案、社区卫生档案的建立与管理；移动临床是指利用无线网络技术与移动计算技术将电子病历从桌面应用推向移动应用；远程会诊是指通过医疗机构使用移动通信网络与互联网为患者进行疾病诊断、治疗的过程。医疗物联网的典型应用需求资源管理：包括对药品、医护人员、患者4医疗物联网架构遵循物联网感知层、网络传输层、应用层三层通用架构医疗物联网架构遵循物联网感知层、网络传输层、应用层三层通用架5医疗物联网感知层框架医疗物联网感知层框架6医疗物联网感知层的任务针对医院资源管理应用需求，提供基于RFID技术的医护人员、医疗设备、患者、药品等资源管理的完整解决方案和核心技术支持；针对居民健康档案的长期、及时、完整、准确等要求，在现有门诊和临床诊断获取病理参数手段的基础上，提供基于BAN（体域网）的在个人自然状态下获取人体生理和病理参数的解决方案和核心技术支持；针对移动临床和远程诊疗等医疗应用需求，基于传输网络架构，定义感知层和传输层边界，配合传输层的相关技术和协议要求，提供具有通信协议解析能力的RFID读写设备和BAN用户服务器。医疗物联网感知层的任务针对医院资源管理应用需求，提供基于RF7主要内容医疗物联网背景概述医疗物联网系统设计医疗物联网案例分析主要内容医疗物联网背景概述8生命体征信息检测与定标方法设计生命体征信息传输需求、模型、仿真对生命体征信息和传感器节点分为复杂节点和瘦节点。其中血压、心电、心音、血氧饱和度、呼吸等节点定义为复杂接点，其余节点可以考虑定义为瘦节点。可调度的信号数字化方法设计信号数字化方法。采集的信息包括：心血管系统信息、呼吸系统信息、常规生理生化体征指标信息；环境信息；辅助采集加速度、位置等姿态信息。采用动态可变采样率方法完成信号的数字化，采样速率和采样精度随身体状态的变化而自适应改变；节点可根据网关协调调度指令动态调整信号数字化的各项参数。生命体征信息检测与定标方法设计生命体征信息传输需求、模型、仿9生命体征信息检测与定标方法设计信号预处理算法通过敏感元件进行信号采集，并根据前端采集信号的不同，设计不同的片上系统算法，实现不同体征参数的特征提取。BAN数据融合技术基于多传感器数据融合的信号处理技术，对生命体征类数据进行同步采样和融合。定标、控制与编码微型节点式体征传感器信号定标意义重大，必须按照临床标准信号研发各节点，可采用外部标准信号源测试方法和内部定标信号相结合的方法进行信号定标。生命体征信息检测与定标方法设计信号预处理算法10面向医疗的RFID技术针对不同医疗资源采用半无源和有源RFID技术休眠态：标签的所有部件均停止工作。信道查询态：查询信道上的有效读写器信号。空闲态：当信道冲突时，搜索读写器的控制命令，以重置扩频码。激活态：当感应能量低于门限值时，启动电池供电。通信态：建立与读写器的有效连接，实现数据传输。半无源RFID工作机制有源RFID工作机制面向医疗的RFID技术针对不同医疗资源采用半无源和有源RFI11RFID节点设计方案半无源RFID标签有源RFID标签RFID节点设计方案半无源RFID标签有源RFID标签12RFID防碰撞方法由于院内具有不同于一般RFID应用的、资源海量的显著特点，要求RFID读写器能实时读写数量巨大的标签，提高吞吐率，缩短操作时间，因此必须设计适合于医院环境的RFID标签防冲撞机制。RFID防碰撞方法由于院内具有不同于一般RFID应用的、资源13BAN信息传输技术BAN（BodyAreaNetworks，体域网），是一种新型的无线通信技术，其典型通信距离为2米左右，限制在人的身体范围之内。目前已进入IEEE标准化流程，标准号为IEEE802.15.6。WMANWLANWPANWBANBAN信息传输技术BAN（BodyAreaNetwork14BAN的目的在人的体内和体表形成一个基于无线技术的传感器网络。监测和控制人的各种生命体征。体温血压心电脑电脉搏血氧饱和度等BAN的目的在人的体内和体表形成一个基于无线技术的传感器网络15BAN的应用场景BAN的应用场景16BAN典型应用设备ECG(检测心电状态)EMG(检测肌电状态)姿势感应(检测活动状态)BAN典型应用设备ECG(检测心电状态)17WBAN与WPAN、WLAN、WMAN的互联WBAN与WPAN、WLAN、WMAN的互联18BAN典型应用对传输的需求BAN典型应用对传输的需求19现有各种无线候选技术指标现有技术无法完全满足医疗物联网的传输需求，因此有必要针对医疗应用的特点开发一种新的专用无线通信技术。现有各种无线候选技术指标现有技术无法完全满足医疗物联网的传输20BAN技术指标（草案）Distance 2mstd,5mspecialPiconetdensity 2-4nets/m2

Devicespernetwork max.100Netnetworkthroughput 100Mbit/smax.Powerconsumption ~1mW/Mbps (@1mdistance)Startuptime <100us,or

<10%ofTXslotLatency(endtoend) 10msNetworksetuptime <1sec

(afterinitialsetup,perdevice)BAN技术指标（草案）Distance 2mstd21BAN与现有无线技术的对比1000mW500mW100mW50mW10mW1Gbit/s100kbit/s1Mbit/s10Mbit/s100Mbit/s1kbit/s10kbit/sIEEE802.15.3aIEEE802.11a/b/gBluetoothZigBee200mW20mWBodyAreaNetwork5mW2mWBAN与现有无线技术的对比1000mW500mW10022BAN设计要点1：信道模型考虑体内（In-body）电波传播的通用信道模型。人体内部各种组织和器官由于传导率、介电常数、特征阻抗等物理参数差异会对电波传播所造成的不同影响；体内信道也会随着人的年龄、体重、姿势、时段等因素而变化；分析基于统计方法的动态化、通用化体内信道模型。考虑支持多场景的体表（On-body）信道模型。分析电波沿人体表面传播时所产生的表面波、蠕波、散射波、衍射波等现象对整体传播特性的影响；考虑体表信道状况与人的身体状态之间的关联；针对隔音室、监护室、病房等真实生活场景，提出能够精确描述各种场景下体表电波传播的信道模型。考虑干扰对BAN信道的影响。考虑不同个体的BAN之间、BAN与其它同频段通信技术之间的干扰特征，减轻和克服干扰的影响。BAN设计要点1：信道模型考虑体内（In-body）电波传播23BAN设计要点2：超短距离通信方案面向超短距离传输的低功耗通信信号处理机制。以极低功耗作为各个通信组成单元的主要设计目标之一。具有良好扩展性和灵活性的多模式通信机制。提出支持多种传输速率、多种通信质量的混合通信机制；对于瘦节点，设计低复杂度、低成本的通信方案；对于复杂节点，可采用先进的通信方案，以有效提高传输带宽和通信效果。。增强BAN数据通信可靠性的传输技术。引入分集技术；采用虚拟多天线技术和协作通信机制。BAN设计要点2：超短距离通信方案面向超短距离传输的低功耗通24BAN设计要点3：通信协议与组网技术支持多级别服务质量（QoS）和跨层优化的BAN系列协议族。充分保障各种不同种类、不同特点的生命体征信息对数据传输服务质量的差异化需求。BAN的自适应组网与拓扑控制方法。设计既支持同构节点、又支持异构节点的自组织组网方案；提出能够跟随身体状态自适应变化的动态拓扑控制方法。适用于BAN的在网协同方法与反馈协议。网络节点间进行协同的框架和机制；基于传感器关联技术的事件驱动型信息传输方法和休眠、唤醒机制；对网络中存在的反馈回路，设计闭环控制的优化方法和相应的协议。BAN设计要点3：通信协议与组网技术支持多级别服务质量（Qo25BAN设计要点4：节点设计节点的设计要求：微型化、低功耗、标准化、系列化。BAN设计要点4：节点设计节点的设计要求：微型化、低功耗、标26用户服务器用户服务器（US）是BAN与用户之间进行交互的接口。通过用户服务器，用户能够获取BAN节点的数据信息和网络状态信息，并能对节点和网络进行控制和反馈。根据网络结构的不同，US既能采用专用的硬件终端进行实现，也能基于手机的公共开发平台以软件形式实现。用户服务器用户服务器（US）是BAN与用户之间进行交互的接口27基于专用终端的用户服务器设计支持IEEE802.15.6标准的专用终端。该终端是一种具有网关功能的终端设备，主要完成如下功能：一是作为协调器和中心节点，实现对BAN感知网络的管理和维护；二是作为转发网关，实现感知层与传输层之间的连接，是BAN接入核心网的桥梁；三是作为人机交互终端，实现与用户之间的信息交换，便于用户操作和使用。基于专用终端的用户服务器设计支持IEEE802.15.6标28US专用终端的硬件设计方案核心控制单元是一块ARM架构的微处理器，一侧通过IEEE802.15.6模块连接BAN无线子网，另一侧通过3G模块连接移动通信网和Internet。US专用终端的硬件设计方案核心控制单元是一块ARM架构的微处29基于手机平台的用户服务器该种解决方案利用广泛使用的手机作为用户服务器的硬件平台，不再设计专用硬件终端，通过在手机上运行用户服务器程序来实现与用户进行交互的目的。手机通过蓝牙、WiFi等方式与BAN协调器建立连接，通过BAN协调器的中转来对传感器节点进行信息读取和控制。BAN协调器的一侧支持IEEE802.15.6协议，另一侧需支持蓝牙或WiFi协议。基于手机平台的用户服务器该种解决方案利用广泛使用的手机作为用30手机平台的US网络结构手机平台的US网络结构31用户服务器软件基于手机平台的用户服务器是以软件形式存在的。软件的编写需遵循手机平台的通用编程方法。例如主流的Android、Symbian、WindowsMobile等智能手机操作系统都有一套独自的程序设计方法和API接口。这些智能手机系统均提供对蓝牙、Wifi模块的支持，从而可以方便的通过这些无线方式与BAN协调器进行连接。用户服务器软件基于手机平台的用户服务器是以软件形式存在的。32采用Android的用户服务器结构一个基于Andriod系统所开发的用户服务器的结构如图所示。采用Android的用户服务器结构一个基于Andriod系统33专用终端vs.手机平台+软件US专用硬件终端和基于手机平台的US软件各有优势。前者能够提供专门化、定制化的硬件解决方法后者则可以降低用户一侧的成本，只需要安装软件便可以在手机上运行和使用。对两者的选择需根据具体应用需求来决定。例如在医院内的生病体征监护设备适合采用专用硬件终端，而在家庭中的体征信号监测更适合采用基于手机的软件方案。专用终端vs.手机平台+软件US专用硬件终端和基于手机平34网络层参考架构（以远程医疗为例）网络层参考架构（以远程医疗为例）35网络层平面结构网络层平面结构36应用层移动生命体征监测医疗人员的实时定位行为识别及跌倒检测医疗用品智能管理电子病历远程医疗应用层移动生命体征监测37主要内容医疗物联网背景概述医疗物联网系统设计医疗物联网案例分析主要内容医疗物联网背景概述38基于ARM和CDMA-1X（GpsOne）的移动远程心电监护终端终端能够实时采集、处理、存储和远程传输心电数据，并能对病人进行有效定位，提高了心电监护终端的监护水平终端还具有移动性、便携性、操作性好等优点。具体设计方案见所附pdf格式论文。基于ARM和CDMA-1X（GpsOne）的移动远程心电监护39可穿戴式生命体征监护设备高压氧舱已广泛应用于临床疾病救治，舱内生理监护系统是高压氧治疗过程中对危重病员进行生理指标监护的重要设备。现有监护设备对舱内病人的心电、血压、呼吸、脉搏及血氧饱和度等参数的监护存在局限：多个传感器通过有线的方式和处理器相连接独立的传感器间缺乏系统整合不支持信号的持续采集和数据的实时处理分离的监护设备间无法共享无线通信资源。研制一种基于无线传感技术的可穿戴式多参数监护设备，可更好地适应高压氧舱特殊环境和临床救治的需要。具体设计方案见所附pdf格式论文。可穿戴式生命体征监护设备高压氧舱已广泛应用于临床疾病救治，舱40Thankyou!Thankyou!41物联网系统设计

医疗物联网重庆邮电大学物联网系统设计

医疗物联42主要内容医疗物联网背景概述医疗物联网系统设计医疗物联网案例分析主要内容医疗物联网背景概述43医疗物联网发展的背景随着我国医疗改革事业的深入推进，智慧地球、智慧城市等物联网技术的应用不断渗透。为了解决我国医疗资源欠缺、分布不均、资源利用率低下的一系列问题，医疗物联网成为物联网应用积累共性关键技术解决方案、应用解决方案、服务运营和推广应用模式的重要手段。医疗物联网发展的背景随着我国医疗改革事业的深入推进，智慧地球44医疗物联网的典型应用需求资源管理：包括对药品、医护人员、患者、医疗设备的管理与监控；电子健康档案：包括个人基本健康信息档案、疾病控制档案、妇幼保健档案、医疗服务档案、社区卫生档案的建立与管理；移动临床是指利用无线网络技术与移动计算技术将电子病历从桌面应用推向移动应用；远程会诊是指通过医疗机构使用移动通信网络与互联网为患者进行疾病诊断、治疗的过程。医疗物联网的典型应用需求资源管理：包括对药品、医护人员、患者45医疗物联网架构遵循物联网感知层、网络传输层、应用层三层通用架构医疗物联网架构遵循物联网感知层、网络传输层、应用层三层通用架46医疗物联网感知层框架医疗物联网感知层框架47医疗物联网感知层的任务针对医院资源管理应用需求，提供基于RFID技术的医护人员、医疗设备、患者、药品等资源管理的完整解决方案和核心技术支持；针对居民健康档案的长期、及时、完整、准确等要求，在现有门诊和临床诊断获取病理参数手段的基础上，提供基于BAN（体域网）的在个人自然状态下获取人体生理和病理参数的解决方案和核心技术支持；针对移动临床和远程诊疗等医疗应用需求，基于传输网络架构，定义感知层和传输层边界，配合传输层的相关技术和协议要求，提供具有通信协议解析能力的RFID读写设备和BAN用户服务器。医疗物联网感知层的任务针对医院资源管理应用需求，提供基于RF48主要内容医疗物联网背景概述医疗物联网系统设计医疗物联网案例分析主要内容医疗物联网背景概述49生命体征信息检测与定标方法设计生命体征信息传输需求、模型、仿真对生命体征信息和传感器节点分为复杂节点和瘦节点。其中血压、心电、心音、血氧饱和度、呼吸等节点定义为复杂接点，其余节点可以考虑定义为瘦节点。可调度的信号数字化方法设计信号数字化方法。采集的信息包括：心血管系统信息、呼吸系统信息、常规生理生化体征指标信息；环境信息；辅助采集加速度、位置等姿态信息。采用动态可变采样率方法完成信号的数字化，采样速率和采样精度随身体状态的变化而自适应改变；节点可根据网关协调调度指令动态调整信号数字化的各项参数。生命体征信息检测与定标方法设计生命体征信息传输需求、模型、仿50生命体征信息检测与定标方法设计信号预处理算法通过敏感元件进行信号采集，并根据前端采集信号的不同，设计不同的片上系统算法，实现不同体征参数的特征提取。BAN数据融合技术基于多传感器数据融合的信号处理技术，对生命体征类数据进行同步采样和融合。定标、控制与编码微型节点式体征传感器信号定标意义重大，必须按照临床标准信号研发各节点，可采用外部标准信号源测试方法和内部定标信号相结合的方法进行信号定标。生命体征信息检测与定标方法设计信号预处理算法51面向医疗的RFID技术针对不同医疗资源采用半无源和有源RFID技术休眠态：标签的所有部件均停止工作。信道查询态：查询信道上的有效读写器信号。空闲态：当信道冲突时，搜索读写器的控制命令，以重置扩频码。激活态：当感应能量低于门限值时，启动电池供电。通信态：建立与读写器的有效连接，实现数据传输。半无源RFID工作机制有源RFID工作机制面向医疗的RFID技术针对不同医疗资源采用半无源和有源RFI52RFID节点设计方案半无源RFID标签有源RFID标签RFID节点设计方案半无源RFID标签有源RFID标签53RFID防碰撞方法由于院内具有不同于一般RFID应用的、资源海量的显著特点，要求RFID读写器能实时读写数量巨大的标签，提高吞吐率，缩短操作时间，因此必须设计适合于医院环境的RFID标签防冲撞机制。RFID防碰撞方法由于院内具有不同于一般RFID应用的、资源54BAN信息传输技术BAN（BodyAreaNetworks，体域网），是一种新型的无线通信技术，其典型通信距离为2米左右，限制在人的身体范围之内。目前已进入IEEE标准化流程，标准号为IEEE802.15.6。WMANWLANWPANWBANBAN信息传输技术BAN（BodyAreaNetwork55BAN的目的在人的体内和体表形成一个基于无线技术的传感器网络。监测和控制人的各种生命体征。体温血压心电脑电脉搏血氧饱和度等BAN的目的在人的体内和体表形成一个基于无线技术的传感器网络56BAN的应用场景BAN的应用场景57BAN典型应用设备ECG(检测心电状态)EMG(检测肌电状态)姿势感应(检测活动状态)BAN典型应用设备ECG(检测心电状态)58WBAN与WPAN、WLAN、WMAN的互联WBAN与WPAN、WLAN、WMAN的互联59BAN典型应用对传输的需求BAN典型应用对传输的需求60现有各种无线候选技术指标现有技术无法完全满足医疗物联网的传输需求，因此有必要针对医疗应用的特点开发一种新的专用无线通信技术。现有各种无线候选技术指标现有技术无法完全满足医疗物联网的传输61BAN技术指标（草案）Distance 2mstd,5mspecialPiconetdensity 2-4nets/m2

Devicespernetwork max.100Netnetworkthroughput 100Mbit/smax.Powerconsumption ~1mW/Mbps (@1mdistance)Startuptime <100us,or

<10%ofTXslotLatency(endtoend) 10msNetworksetuptime <1sec

(afterinitialsetup,perdevice)BAN技术指标（草案）Distance 2mstd62BAN与现有无线技术的对比1000mW500mW100mW50mW10mW1Gbit/s100kbit/s1Mbit/s10Mbit/s100Mbit/s1kbit/s10kbit/sIEEE802.15.3aIEEE802.11a/b/gBluetoothZigBee200mW20mWBodyAreaNetwork5mW2mWBAN与现有无线技术的对比1000mW500mW10063BAN设计要点1：信道模型考虑体内（In-body）电波传播的通用信道模型。人体内部各种组织和器官由于传导率、介电常数、特征阻抗等物理参数差异会对电波传播所造成的不同影响；体内信道也会随着人的年龄、体重、姿势、时段等因素而变化；分析基于统计方法的动态化、通用化体内信道模型。考虑支持多场景的体表（On-body）信道模型。分析电波沿人体表面传播时所产生的表面波、蠕波、散射波、衍射波等现象对整体传播特性的影响；考虑体表信道状况与人的身体状态之间的关联；针对隔音室、监护室、病房等真实生活场景，提出能够精确描述各种场景下体表电波传播的信道模型。考虑干扰对BAN信道的影响。考虑不同个体的BAN之间、BAN与其它同频段通信技术之间的干扰特征，减轻和克服干扰的影响。BAN设计要点1：信道模型考虑体内（In-body）电波传播64BAN设计要点2：超短距离通信方案面向超短距离传输的低功耗通信信号处理机制。以极低功耗作为各个通信组成单元的主要设计目标之一。具有良好扩展性和灵活性的多模式通信机制。提出支持多种传输速率、多种通信质量的混合通信机制；对于瘦节点，设计低复杂度、低成本的通信方案；对于复杂节点，可采用先进的通信方案，以有效提高传输带宽和通信效果。。增强BAN数据通信可靠性的传输技术。引入分集技术；采用虚拟多天线技术和协作通信机制。BAN设计要点2：超短距离通信方案面向超短距离传输的低功耗通65BAN设计要点3：通信协议与组网技术支持多级别服务质量（QoS）和跨层优化的BAN系列协议族。充分保障各种不同种类、不同特点的生命体征信息对数据传输服务质量的差异化需求。BAN的自适应组网与拓扑控制方法。设计既支持同构节点、又支持异构节点的自组织组网方案；提出能够跟随身体状态自适应变化的动态拓扑控制方法。适用于BAN的在网协同方法与反馈协议。网络节点间进行协同的框架和机制；基于传感器关联技术的事件驱动型信息传输方法和休眠、唤醒机制；对网络中存在的反馈回路，设计闭环控制的优化方法和相应的协议。BAN设计要点3：通信协议与组网技术支持多级别服务质量（Qo66BAN设计要点4：节点设计节点的设计要求：微型化、低功耗、标准化、系列化。BAN设计要点4：节点设计节点的设计要求：微型化、低功耗、标67用户服务器用户服务器（US）是BAN与用户之间进行交互的接口。通过用户服务器，用户能够获取BAN节点的数据信息和网络状态信息，并能对节点和网络进行控制和反馈。根据网络结构的不同，US既能采用专用的硬件终端进行实现，也能基于手机的公共开发平台以软件形式实现。用户服务器用户服务器（US）是BAN与用户之间进行交互的接口68基于专用终端的用户服务器设计支持IEEE802.15.6标准的专用终端。该终端是一种具有网关功能的终端设备，主要完成如下功能：一是作为协调器和中心节点，实现对BAN感知网络的管理和维护；二是作为转发网关，实现感知层与传输层之间的连接，是BAN接入核心网的桥梁；三是作为人机交互终端，实现与用户之间的信息交换，便于用户操作和使用。基于专用终端的用户服务器设计支持IEEE802.15.6标69US专用终端的硬件设计方案核心控制单元是一块ARM架构的微处理器，一侧通过IEEE802.15.6模块连接BAN无线子网，另一侧通过3G模块连接移动通信网和Internet。US专用终端的硬件设计方案核心控制单元是一块ARM架构的微处70基于手机平台的用户服务器该种解决方案利用广泛使用的手机作为用户服务器的硬件平台，不再设计专用硬件终端，通过在手机上运行用户服务器程序来实现与用户进行交互的目的。手机通过蓝牙、WiFi等方式与BAN协调器建立连接，通过BAN协调器的中转来对传感器节点进行信息读取和控制。BAN协调器的一侧支持IEEE802.15.6协议，另一侧需支持蓝牙或WiFi协议。基于手机平台的用户服务器该种解决方案利用广