英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
使用 NB-IoT 连接智能医院中的智能事物
Haibin Zhang , Member, IEEE, Jianpeng Li, Bo Wen, Yijie Xun, and Jiajia Liu, Senior Member, IEEE
摘要：物联网（IoT）的广泛使用，尤其是智能可穿戴设备， 将在提高医疗质量，为患者带来便利和提高医院管理水平方面发挥重要作用。但是，由于通信协议的限制，存在一种可以连接智能医院中所有智能事物的非统一架构，这是由于窄带物联网（NB-IoT）的出现而实现的。有鉴于此，我们提出了一种基于 NB-IoT 的连接智能医院中智能事物的体系结构，并引入了边缘计算来满足医疗过程中延迟的要求。作为案例研究，我们开发了一种输液监测系统，以监测静脉输液期间的实时滴注率和残留药物量。最后，我们讨论了通过连接智能事物来构建智能医院的挑战和未来方向。
关键词：物联网（IoT），窄带物联网（NB-IoT），智能医院
I．介绍
随着移动互联网，物联网（IoT）和可穿戴设备的快速发展，监视已显示出近年来的智能趋势。许多医院已经使用手机应用程序进行约会登记，查询电子病历和检查结果。此外，医疗可穿戴设备（例如 3G 血压计，蓝牙血糖仪和智能心电图仪（ECG）设备）已用于监视血压，血糖，ECG 和其他生理信号。监视记录最终被发送到信息平台以进行实时诊断，或发送到医学数据库以进行记录保存[1]。
将智能设备引入医院可以节省运营成本，增强患者的医疗经验并减轻医护人员的劳动强度[2]。但是，将那些聪明的事物联系起来以实现这些目标仍然是一个巨大的挑战。主要限制是通信协议[3]。有线通信不适用于移动设备。许多研究人员试图建立一个通过短距离和远程无线通信连接智能事物的体系结构。Boudra等人[4]推出了一种使用 ZigBee 和远程无线协议的患者监护系统。Catarinucci 等人[5]提出了一种用于监视和跟踪医院中患者和环境数据的三层网络架构，该架构包含三个部分：1）射频识别（RFID）增强型无线传感器网络，称为混合传感网络（HSN）；2）物联网智能网关；3）用于数据可视化和管理的用户界面。HSN 跟踪带有RFID Gen2 标签的传感器设备，并通过中间层将其数据转发到 Internet 或局域网。Alharbe等人[6]提出了一种使用 ZigBee 和 RFID 构建医院信息管理系统的方法。在该系统中，ZigBee 用于将收集的信息传输到云中心，而 RFID 用于自动识别对象。Nasri和Mtibaa[7]提出了一种使用5G 通信技术将数据从终端传输到智能手机的想法，该技术最终被发送到云中心进行进一步处理。展威和永建[8] 将一些智能设备放在患者身上，以将数据上传到云平台。但是，由于无线协议的限制，现有架构无法连接医院中的所有类型的设备。诸如 Wi-Fi，ZigBee之类的短距离无线协议受通信距离的限制。远程无线协议通常具有很高的能耗，不适合医院中的智能设备[9]。
窄带物联网（NB-IoT）是一种低功耗广域无线协议，几乎可以在任何地方工作[10]。NB-IoT 具有低成本和低功耗的优势[11],[12]，它提供了一种新方法，可以在难以到达的地方长时间连接需要少量数据的设备，并已用于智能停车，智能抄表和办公共享自行车。NB-IoT 的出现使规范化体系结构以连接智能医院中的所有智能事物成为可能。我们的动机之一是使用 NB-IoT 规范化架构，以连接智能医院中的所有智能事物。作为案例研究，我们选择输液监 测问题，该问题使患者尤其是晚上输液的患者深受困扰。我们首先设计一个使用红外传感器的输液监控终端，然后 将这些设备与 NB-IoT 连接起来。
静脉输注是一种快速使用药物和创伤小的常见治疗方法。但是，医务人员无法持续监控输液量，这导致滴注率下降异常和药物更换无法及时注意到。实时输液监控设备的开发对医务人员和患者都具有重要意义。
存在三种类型的监视技术，分别是使用重力传感器，电容器和红外传感器。Chen等人[13]设计了一种使用重力传感器的设备，该设备可以通过监控的药瓶重力来获得滴落率和剩余药物量。该设备有两个主要问题。其一是它不能精确地计算掉落率，因为对于 0.05 g 水平的高精度重力传感器而言，其外部影响是不容忽视的。另一个是它不能准确地计算出剩余药物量，因为它不能准确地去除输液瓶和装置的皮重。Ogawa等人[14]开发出一种基于电极的输液监控装置。然而，由于药物对电容器的值，输液装置的 材料和液滴滴的长度的影响有更高的要求，因此不适用。Wang等人[15]和Chen等人[16]介绍了使用红外光电传感器的设备。但是，他们没有考虑自然光对光电设备的干扰。他们还没有给出通过滴剂计算剩余药物量的过程。
基于红外传感器的输液监控装置功耗低，成本低，易于使用，滴速测量准确。本文的另一个动机是设计一种基于红外传感器的输液监控设备，以克服现有缺陷并通过 NB- IoT 将它们连接起来。本文的主要贡献概述如下。
bull; 我们对基于NB-IoT的架构进行形式化，以连接智能医院中的所有智能事物，它具有NB-IoT 的更高容量，更大覆盖范围，更低功耗和更低成本的优势。但是， 对于医疗应用而言，将 NB-IoT 用于医疗应用，对于那些对实时性要求很高的设备（例如 ECG ）[17]。为了应对这一挑战，我们将边缘计算引入了所提出的体系结构。
bull; 作为案例研究，我们设计了基于红外传感器和NB- IoT的输液监控设备。我们用红外信号调制方案来处理光干扰，这使我们的监控设备能够准确地计算出阳光下的液滴。然后，我们对故障检测过程和液滴系数的学习算法进行形式化，以准确计算剩余药物量。
bull; 我们给出了基于建议的体系结构建设智能医院以连接智能事物的挑战和未来方向。
本文的其余部分安排如下。第二节介绍智能医院的应用场景。在第三部分中，我们提出了一种连接所有智能事物的体系结构。第四节开发了一个以NB-IoT为案例的输液监控系统。在第五节中，我们提出了一些挑战和未来的方向。最后，第六节总结了本文。
II.应用场景和特点
图1通过连接智能事物来描述智能医院中的典型应用场景。位于医院内部或外部的各种传感器收集的数据包括 生理信号数据（例如心率和血压），环境数据（例如温度）以及其他数据（例如停车位数据）。这些数据最终通过无线通信发送到云平台，以进行决策和分析。
图1 智能医院的应用场景说明
-
应用场景
- 智能停车位：医院的停车位可以通过智能锁控制。病人在去医院之前可以使用移动应用程序预留停车位。保留的停车位将被锁定，直到患者到达并通过无线通信发送解锁命令为止。当患者离开医院时，可以自动锁定停车位并自动完成费用结算。
- 门禁：一些重要的医院部门需要安装门禁系统。当工作人员接近建筑物的门时，可以将命令发送到系统使用可穿戴设备完成身份验证。如果认证成功，门将打开。如有必要，一些人员还可以进行远程解锁。
- 病房护理：在病房中，可以通过可穿戴设备或智能传感器收集患者的实时生理信号（例如心律）或环境信息（例如清洁度）。然后，这些数据通过无线通信传输到监控中心。如果患者的生理症状异常，护理人员可以及时进行相应的治疗。
- 门诊医疗：门诊医生可以根据可穿戴设备收集的生理征象数据全面了解患者的健康状况，从而可以帮助医生进行准确的诊断，提高医生的诊断效率，并节省患者的时间。
- 户外姿势识别：当患者在户外时，可以通过姿势传感器识别患者的身体和运动姿势，以识别是否发生了危险姿势，还可以确定异常生理信号是否为正常情况下的错误警报[18]。
- 远程医疗监视：一些出院患者需要在家中进行监视。可穿戴设备可以远程监控患者的生理征兆[4], [19]。当患者身体状况异常时，设备可以及时通知患者家属或主治医生，以防止意外发生。
- 其他应用：通过在医院的传统电表和水表中添加无线通信模块，我们可以实现智能抄表。可以将某些昂贵的医疗设备（如伽马射线）连接到物联网系统，然后可以定期完成设备检查。当某些有价值的医疗物品或医疗废物被清除时，已安装的传感器可以将实时位置和状态数据传递到云平台，以进行有效监控[20]。
- 没有固定基础设施的检测技术
在医疗物联网中，有大量传感器用于监视患者，医院环境以及医疗设备的条件。这些传感器的数量和类型特别大。另外，大多数设备使用电池电源，由于大小和其他方面的限制，电池电源的容量受到限制。医疗物联网设备具有低功耗的 特点，可确保它们长时间工作，因为它们无法更换电池或无法定期充电[21]。
III．基于NB-IoT的智能医院网络架构
- NB-IoT 对医疗应用的挑战
尽管NB-IoT具有许多独特而卓越的属性，但它仍具有高延迟和移动性差的缺点。NB-IoT标准主要针对非移动性，对延迟不敏感，多设备加载和低功耗方案而设置。该协议本身消除了传统移动通信中常用的终端测量报告的报告过程，虽然节省了终端设备的功耗，但也消除了数据通信的切换功能。另外，该协议是为具有许多访问设备和低年；最后，模块成本低，使用180 KHZ频率，基带的复杂性大大降低。另外，NB-IOT模组采用单天线、半双工模式，降低了射频成本；通过简化协议栈，降低片上FLASH / RAM，模块成本可以控制在5美元以内，商业规模下成本仍有进一步下降的空间。功耗要求的网络体系结构而设计的。为了集中防止大量设备造成的数据传输拥塞并降低设备功耗NB-IoT并未对通信延迟进行严格控制。在智能医院的某些应用场景中，例如在重症监护室中，这可能是一个挑战，严重疾病患者的一些生理征兆数据需要实时上传，这需要低延迟。
- 智慧医院的拟议架构
在智能医院中使用 NB-IoT 具有多个优势。
- 更高的容量：NB-IoT 可提供数十亿个连接并在单个社区中连接成千上万的用户，可满足智能医院设备的连接要求。
- 覆盖范围更广：与现有的移动网络相比，NB-IoT 增加了 20db 的链路预算，这大大提高了其渗透能力，使其非常适用于医院建筑物和地下室的设备连接。
- 较低的功耗以及长达十年的电池寿命，非常适合诸如小尺寸可穿戴设备之类的设备。
- 成本更低：每个模块的成本不到5美元，这可以显着降低一次性设备的成本。
图2 在智能医院中连接智能终端的建议架构
图2 给出了基于NB-IoT的智能医院架构。在这种体系结构中传感层中的终端设备收集数据并将其发送到基站（BS）。针对低延迟和实时处理的要求，我们引入边缘服务，该服务为 BS 和云平台提供数据接口。在云计算层中，云平台存储和处理对延迟要求不高的全局数据，并通过大数据分析和机器学习来控制总体情况。架构中每一层的功能和设计要求如图 3所示。
- 传感层：在传感层中，有大量的终端设备与 NB-IoT 模块集成在一起。这些设备具有数据收集和处理功能。另外，还应考虑能耗和安全方案来处理终端设备的能源供应和安全。
在智能医院中，我们需要收集多种数据。例如，我们可以使用光电传感器收集诸如心率，血压和血氧饱和度等数据，使用 3-D 加速度传感器获取患者的姿势。大多数终端设备使用固定电池来供电，并且需要长时间工作而不会中断，对此功耗的控制非常重要。我们应该使用低功耗的CPU，并设计合理的休眠机制，使传感器在预定工作后尽可能地进入休眠状态，并利用数据融合等操作减少数据流量，从而可以减少通讯的工作时间。模块。另外，我们应该考虑能量转换和无线充电技术可方便地补充能量，以确保设备长时间工作。由于资源的限制，终端设备容易受到攻击。为了数据隐私和安全，传感层需要安全机制，例如访问身份验证，数据加密和数据检查。接入认证要求设备与基站之间进行双向认证。它可以有效地避免设备访问伪 BS。使用数据检查机制，我们可以在无线传输过程中处理丢包和包错误，以确保数据传输的完整性。由于终端传感器的计算能力有限，因此应采用轻量级的数据加密算法以确保数据的机密性。
- 基站层：在基站层，部署了大量的NB-IoT基站，需要路由，拥塞控制，流量调度和安全机制，以确保数据的集成和安全传输。当BS从感测层获得数据时，需要根据数据需求规划合理的传输路径。例如，BS直接将需要低等待时间的数据发送到边缘服务器以进行存储和计算。在智能医院中，需要访问大量的终端设备。它们发送大量数据，这可能导致拥塞和数据丢失。这需要拥塞控制和优先级机制，以确保高优先级的数据传输，以避免由于网络拥塞而导致无法监视患者或设备。另外，还需要在发生拥塞时调度 BS 的业务。
身份认证和入侵检测可用于保证 BS 层中的数据安全。身份验证是检查用户身份并确定用户是否具有访问权限的过程。另外，BS 还容易受到
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[246074]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
