物联网在灾害管理与医疗保健中的应用

### 物联网在灾害管理与医疗保健中的应用 #### 物联网在灾害管理中的应用 在灾害管理领域，物联网技术发挥着重要作用。例如，可利用红外传感器来感知洪水和人员流动情况，还能通过传感器量化先前的地球运动和震动。人们广泛使用由电池供电且可远程工作和通信的物联网设备，这在信息共享和组织抗灾力量方面可能会获得有利支持。不过，在标准通信技术不可用时，物联网设备可能会出现一些有限的通信问题，如危机小规模消息传递。 为应对雪崩和洪水等基本灾害，传感器需及时处理有关气候、交通、警察和医疗服务的数据传输。疏散程序和区域隔离有助于加快恢复进程。气候和预警程序至少能提前两天预测危机。一旦发生此类危机，将通过在线媒体、标准媒体渠道和短信向人们和网络发出警报。在高风险地区，还会使用警报器疏散受灾地点的人员。 ##### 地震检测与疏散架构 提出了一种用于地震检测和疏散的架构。地震对高层建筑影响巨大，因此在这些建筑中尽早检测地震可以挽救生命。自然灾害会对环境、人类生命等造成严重影响，间接影响国家经济。从背景噪声中识别地震并获取可靠的P波初至是地震预警的关键技术。 需要在可能首先检测到地震的脆弱点安装传感器。这些传感器节点可以作为传感节点，也可以是具有决策功能的嵌入式系统。控制中心将从不同位置的传感器系统接收类似数据，通过至少三个传感器系统的数据，能够实时更准确地定位地震位置。这里使用物联网平台进行地震检测，传感器节点可以连续向云端发送信号，也可以由事件触发。为了便于国家灾害应急响应部队（NDRF）或气象部门检查异常的里氏震级读数，选择连续发送数据的方式。 为了发送这些数据，使用MQTT协议，将读数作为异步消息发送到云端。MQTT协议具有以下特点： 1. 是一种轻量级消息排队和传输协议。 2. 适用于遥测数据（通常是传感器数据）的传输。 3. 适用于M2M（移动对移动）、WSN（无线传感器网络）和物联网应用中传感器和执行器节点之间的通信。 4. 采用异步通信模型。 5. 复杂度低、功耗低、占用资源少。 6. 在TCP连接上运行。 MQTT会话的建立流程如下： ```mermaid graph LR A[建立TCP/IP连接] --> B[建立MQTT会话] B --> C[数据传输] ``` MQTT协议支持两种类型的订阅：临时订阅和持久订阅。对于地震检测应用，应选择持久订阅，因为这样在会话关闭时消息不会丢失。消息包含用于传输的头部和尾部，有效负载包含实际的传感器读数。 此外，TALQ智能城市协议规范定义了户外设备网络的管理接口，可用于地震检测系统。该协议是为智能城市应用设计的动态协议，更多信息可在www.talq - consortium.org上查看。 ##### 疏散安全措施 还会有一个单独的控制器，传感器与该控制器通信以进行决策并启动建筑物疏散的安全程序。微控制器会持续监控传感器值，并将其作为输入与阈值进行比较。安全程序包括： 1. 触发地震警报。 2. 电梯无人时应停止运行。 3. 紧急出口门应打开。 4. 安全集合区域应用视觉灯光突出显示。 选择用于安全疏散的微控制器取决于建筑物的架构和可用设施，系统与微控制器之间的交互可以是有线或无线的。 警报系统是一种视听系统，用于提醒居民，应安装在闪光灯清晰可见且声音可被听到的地方，整个建筑物应有单一控制，一旦收到微控制器的控制信号就应启动。 短信警报系统会向所有注册的建筑物居住者的手机发送地震警告消息，消息还可包括里氏震级读数。 电梯电力控制系统是建筑物内所有电梯系统的集中系统，负责处理与电力相关的控制。每个电梯的其他控制机制单独安装。该电力系统应接收微控制器的控制信号，触发后应遵循单独的安全关闭程序，将当前电梯内的人员安全送到最近楼层，然后关闭电源。 自动紧急门开启系统会打开建筑物内所有的紧急出口门，这些紧急通道应通向安全集合点。 安全集合区域照明系统会打开安全集合点的危险灯，以引导居住者前往，还可显示滚动文字。 由于这是一个硬实时系统，时间至关重要。一旦微控制器触发信号，所有操作都应立即执行，否则整个系统将失效。 #### 物联网和临床决策支持系统在医疗保健中的应用 ##### 物联网在医疗保健中的影响 互联网连接带来了诸多以前无法获得的好处。如今，物联网设备非常先进，人们可以通过它阅读书籍、观看电影、玩游戏、听歌曲、进行视频通话或跟踪他人位置。物联网的概念是将世界上的事物连接到互联网，该术语由凯文·阿什顿在1999年提出。射频识别（RFID）组织将物联网描述为基于标准通信协议的全球网络。 医疗保健是当今世界面临的重大挑战之一，智能医疗和医疗保健是物联网的最佳应用之一。物联网在医疗方面的一些应用包括健身计划、老年人护理和实时监测。此外，物联网在医疗保健中还有诸多好处，如与患者在线互动、确定医生位置、跟踪患者健康报告等。对患者的实时监测有助于医生根据症状更早地诊断疾病。医疗服务提供者通过物联网在家中提供治疗和药物，这可以降低成本，提高生活质量，确保良好的用户体验。 智能医疗保健通过持续健康监测提供主动医疗治疗。根据个人的自然、行为和社会属性，医疗服务、健康和患者帮助的综合实践被描述为个性化医疗保健，这使每个人都能遵循“在适当的时间为合适的人提供适当的护理”这一基本医疗准则，从而取得良好的效果。物联网设备产生的信息有助于成功的基本决策，同时确保医疗服务任务顺利进行，减少错误、浪费和系统成本。医疗物联网使患者能够有更多时间与医生交流，并通过为每个患者维护数字身份来保证医疗服务的个性化。 在未来几年，医疗领域预计将广泛应用物联网，并推出新的电子健康物联网设备和应用。物联网支持的设备与无线传感器区域网络可将患者数据传输到远程医生处，但该技术存在一些安全问题，特别是在将患者数据传输到远程位置时，必须确保安全。为实现安全服务，需要关注以下安全要求： 1. 保密性 2. 自我修复 3. 完整性 4. 弹性 5. 认证 6. 可用性 7. 授权 8. 容错 9. 不可否认性 10. 数据新鲜度 ##### 临床决策支持系统（CDSS）的作用 CDSS旨在帮助医疗服务专家做出诊断决策。通过基于信息的框架匹配患者的特征，该系统会生成明确的建议。相关文献表明，CDSS有可能改善临床表现。以下是CDSS在医疗保健中的显著影响： | 研究 | 预防性护理提醒类型（用于结果测量） | 对医疗从业者的显著影响 | | ---- | ---- | ---- | | Barnett等 | 血压测量 | 无变化 | | McDowell等 | 医院中的流感药物治疗 | 改善 | | McDowell等 | 医院中的血压测量提醒 | 改善 | | Burack等 | 乳腺X光检查提醒 | 改善 | | Burack等 | 乳腺X光检查提醒 | 改善 | | McPhee等 | 癌症预防提醒 | 改善 | | McPhee等 | 癌症预防 | 改善 | | Rosser等 | 预防性护理操作提醒 | 改善 | ##### 相关研究综述 许多研究探讨了物联网在医疗保健中的应用。例如，Doukas和Maglogiannis提出了一个基于云的系统，用于管理医疗保健中的移动和可穿戴身体传感器，展示了物联网世界观下与医疗服务相关的信息。Kulkarni和Sathe试图以合理的成本回顾物联网在医疗服务中的应用，解释了物联网的工作原理以及如何结合远程和检测策略实现理想的医疗保健应用。 在物联网和Zigbee技术方面，有研究解释了如何使用Zigbee在医疗服务框架中应用物联网，通过不同的物联网设备收集、分析和将数据传输到云端，便于以多种新形式收集、存储和分析大量信息。该研究还提出了一种基于计算的方法，将所有紧急临床记录整合在一起，以减少企业医院的商业模式，但保证保险公司为患者提供服务。 一篇关于基于物联网的医疗保健系统先进技术的调查文章回顾了医疗解决方案中的网络架构、平台和应用，并分析了物联网的安全性和隐私问题，包括安全要求、威胁模型和攻击分类。 还有研究通过雾计算方法增强了现有的基于物联网的健康监测系统，提供了一个包含分布式存储、数据挖掘等先进技术的智能网关。以心电图（ECG）特征提取为例，结果表明雾处理有助于实现超过90%的数据传输能力效率，并在系统边缘提供低延迟的实时响应。 Hossain和Muhammad提出了一个由健康物联网支持的监测框架，通过手机收集心电图等有用的医疗保健信息。Kalarthi提出了一种通过传输重要参数提供完整患者远程监测系统的技术，传感器收集患者身体的不同参数，通过Arduino Uno微控制器将信息传输到云端，用户可以通过安卓应用查看这些信息，患者可以检查自己的医疗记录，从而提高医疗质量。 Ukil等人讨论了用于心脏病预防的医疗保健分析，还介绍了使用手机在认可适度和不可避免的移动健康方面的潜在优势，探讨了异常检测在医疗服务框架中的作用以及其应用和作用，以确保强大的医疗服务生态系统、更好的预测和可生存性。 Abu Naser和El - Najjar开发了一个专家系统来诊断儿童的恶心和呕吐问题。由于印度特别是农村地区缺乏医生，临床决策支持系统（CDSS）在这一过程中可以发挥重要作用。 Chao Li等人提出了一种基于物联网的冠心病监测框架，用于提供普遍的医疗福利。该框架持续监测患者的身体体征，如血压、心电图、血氧饱和度等，以及相关的环境指标，并提供四种不同的信息传输模式，以适应医疗服务需求和通信及计算资源请求。物联网系统在照顾心脏病患者方面具有巨大优势，能够改变管理模式，触发医疗福利服务。 ### 物联网在灾害管理与医疗保健中的应用（续） #### 不同协议在地震检测中的对比与选择 在地震检测系统中，MQTT协议和TALQ协议都有着各自的特点和适用场景。下面通过表格的形式对它们进行对比分析，以便在实际应用中做出更合适的选择。 | 协议 | 特点 | 适用场景 | 优势 | 局限性 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | MQTT | 轻量级消息排队和传输协议，适用于遥测数据传输，采用异步通信模型，复杂度低、功耗低、占用资源少，运行在TCP连接上 | 传感器与云端之间的数据传输，尤其是需要实时、高效传输传感器读数的场景 | 能够快速、稳定地将传感器数据发送到云端，支持多种订阅模式，消息传输效率高 | 标准通信不可用时可能存在通信问题，对网络稳定性有一定要求 | | TALQ | 为智能城市应用设计的动态协议，支持系统监测、联合数据收集、简化配置和升级 | 地震检测系统以及其他智能城市相关的户外设备网络管理 | 可实现对不同设备网络的集中管理，适应智能城市复杂多变的应用需求 | 文档资料相对较少，需要在特定网站获取详细信息 | 从上述对比可以看出，如果更注重传感器数据的快速传输和实时性，MQTT协议是一个不错的选择；而如果需要对地震检测系统以及相关的户外设备网络进行全面管理和配置，TALQ协议则更具优势。 #### 物联网医疗应用中的安全挑战与应对策略 虽然物联网在医疗保健领域带来了诸多便利，但也面临着严峻的安全挑战。前面提到了物联网医疗应用需要关注的10项安全要求，下面针对这些要求详细阐述可能面临的挑战以及相应的应对策略。 | 安全要求 | 面临的挑战 | 应对策略 | | ---- | ---- | ---- | | 保密性 | 患者数据在传输和存储过程中可能被窃取或泄露 | 采用加密技术对数据进行加密处理，如对称加密和非对称加密；对访问数据的人员进行严格的身份认证和授权 | | 自我修复 | 系统可能因故障、攻击等原因出现异常，需要自动恢复正常运行 | 设计具有容错和自愈能力的系统架构，例如采用冗余备份、故障转移等技术；定期对系统进行健康检查和维护 | | 完整性 | 数据可能被篡改，导致医疗决策失误 | 使用数据签名、哈希算法等技术确保数据的完整性；建立数据审计机制，对数据的修改和访问进行记录和监控 | | 弹性 | 系统需要在遭受攻击或故障时仍能保持一定的服务能力 | 构建分布式、高可用的系统架构，采用负载均衡、分布式存储等技术提高系统的弹性；制定应急预案，在出现问题时能够快速响应和恢复 | | 认证 | 确保访问系统和数据的用户和设备身份真实可靠 | 采用多因素认证方式，如密码、指纹识别、短信验证码等；对设备进行唯一标识和认证，防止非法设备接入 | | 可用性 | 系统需要随时可用，以保证医疗服务的连续性 | 采用高可用性的服务器和网络架构，进行定期的性能测试和优化；建立应急响应机制，在出现故障时能够快速恢复服务 | | 授权 | 确保用户和设备只具有其权限范围内的访问和操作权限 | 基于角色的访问控制（RBAC）模型，根据用户的角色和职责分配不同的权限；定期审查和更新用户权限 | | 容错 | 系统需要能够容忍一定的错误和故障，不影响正常运行 | 采用容错设计，如冗余组件、错误检测和纠正代码等；对关键数据和系统进行备份，以便在出现问题时能够恢复 | | 不可否认性 | 确保数据的发送者和接收者无法否认其操作 | 使用数字签名技术，对数据的发送和接收进行签名；建立日志记录系统，记录所有操作和交易信息 | | 数据新鲜度 | 确保数据是最新的，以支持准确的医疗决策 | 建立数据更新机制，定期更新数据；设置数据有效期，过期数据及时清理和更新 | 通过以上应对策略，可以在一定程度上提高物联网医疗应用的安全性，保护患者的隐私和数据安全。 #### 未来展望 随着科技的不断发展，物联网在灾害管理和医疗保健领域的应用前景十分广阔。在灾害管理方面，未来的传感器技术可能会更加先进，能够更准确地检测和预测各种灾害。同时，物联网设备之间的通信和协作也将更加高效，实现更快速的应急响应和资源调配。例如，不同类型的传感器可以实时共享数据，形成一个更加全面的灾害监测网络。 在医疗保健领域，物联网与人工智能、大数据等技术的结合将进一步提升医疗服务的质量和效率。通过对大量患者数据的分析和挖掘，可以实现更精准的疾病诊断和个性化治疗方案。智能可穿戴设备的功能也将不断增强，能够实时监测更多的生理指标，为患者提供更加全面的健康管理服务。 然而，要实现这些美好的愿景，还需要解决一些技术和社会层面的问题。例如，如何确保物联网设备的安全性和可靠性，如何平衡患者隐私保护和数据共享的关系，以及如何推动不同系统之间的互操作性等。只有解决了这些问题，物联网才能更好地服务于灾害管理和医疗保健领域，为人类的健康和安全保驾护航。 总之，物联网在灾害管理和医疗保健领域已经取得了显著的成果，但仍有很大的发展空间。我们期待着未来物联网技术能够为这两个领域带来更多的创新和突破，创造更加美好的生活。