物聯(lián)網環(huán)境下居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周 宇 吳 婷 張 倩 汪昱列（南京郵電大學，江蘇 南京 210046）

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物聯(lián)網環(huán)境下居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周 宇 吳 婷 張 倩 汪昱列
（南京郵電大學，江蘇 南京 210046）

摘 要：隨著人口老齡化進程的加速和亞健康人群的增多，慢性病例數(shù)量急劇增長，這給醫(yī)療帶來了沉重負擔，為了提供持續(xù)有效的健康服務、降低潛在的健康隱患，設計更為完善的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)成為一項重要的科學工程?，F(xiàn)有的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)定位精確度偏低，且服務提供的靈活性、實時性和智能化程度不能很好地滿足醫(yī)療監(jiān)測和醫(yī)療護理的核心需求。所以，我們對將物聯(lián)網技術運用于人體健康監(jiān)測領域的可行性進行了研究，介紹了目前智能健康監(jiān)測領域研究的現(xiàn)狀，并基于物聯(lián)網技術設計了可以實時監(jiān)測多種人體生理指標，并通過數(shù)據分析給出應用于老年人身體狀況的專業(yè)化的監(jiān)測系統(tǒng)。

關鍵詞：物聯(lián)網；老年人健康；信息預警；數(shù)據分析；多指標

0 引言

物聯(lián)網是新一代信息技術的高度集成和綜合運用，其原意是用信息網絡的形式將事物（物理的和虛擬的）都聯(lián)接起來，使客觀世界甚至主觀世界的事物都能以擬人化的方式“主動上網”以提供服務，進而實現(xiàn)服務智慧化（Smart Service）；由此可見，物聯(lián)網并不是一個具體的網絡或技術，而是應該表述為利用網絡的聯(lián)接性提供智慧化服務的一種概念或者技術思想，可以將物聯(lián)網的這種技術思想定義為“利用融合協(xié)同的泛在網絡技術實現(xiàn)泛在智慧服務”，也就是利用無處不在的信息網絡技術來滿足無所不在的智慧服務需求，所以物聯(lián)網可以被理解成為一種更加廣泛深遠的未來網絡應用形態(tài)。

在物聯(lián)網技術盛行的今天，人們越來越注重于技術與生活的緊密聯(lián)系，隨著人口老齡化進程的加速和亞健康人群的增多，慢性病例數(shù)量急劇增長，這給醫(yī)療帶來了沉重負擔。因此，為了提供持續(xù)有效的健康服務、降低潛在的健康隱患，設計更為完善的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)成為一項重要的科學工程。人們已進行了基于智能輪椅的家居安全健康遠程監(jiān)測系統(tǒng)、基于ZigBee的老年健康監(jiān)護系統(tǒng)、養(yǎng)老住宅監(jiān)控系統(tǒng)等多項研究，但由于技術的不純熟等原因，并沒有將此類研究做到最讓人滿意的地步。科技在不斷地發(fā)展，需求仍舊上升，這就促使我們對此類問題進行進一步探究。

本文設計了一種基于物聯(lián)網的多指標實時監(jiān)測人體生理指標的系統(tǒng)，基于我們已經參與了3G網絡的心電采集系統(tǒng)開發(fā)項目，該系統(tǒng)基本可以實現(xiàn)心電圖以及心率的采集和上傳、分析等功能。我們希望能增加更為多樣化的測量指標，例如血氧，血壓等，同時增加防摔倒系統(tǒng)，并通過硬件改裝使得信號采集模塊更方便攜帶，做成一套能同時監(jiān)測心電信號、血氧數(shù)據并且具有防摔預警系統(tǒng)的便攜式遠程健康監(jiān)測系統(tǒng)。同時增加基于web的客戶端-服務器思想，利用后端數(shù)據庫增強系統(tǒng)的數(shù)據存儲和分析能力。最終，使該系統(tǒng)具有受測者可查看自身生理數(shù)據、監(jiān)測者可通過客戶端查看健康信息數(shù)據分析、受測者發(fā)生摔倒則自動發(fā)出警告信號等功能。

1 系統(tǒng)架構簡介

1.1 系統(tǒng)設計思路

本文設計的居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)采用了物聯(lián)網的設計思想。其網絡結構分為健康信息獲取層、數(shù)據接入處理層、智慧網絡服務層，如圖1所示。

圖1系統(tǒng)分層設計

健康信息獲知層是通過3個主要的采集模塊（心電采集模塊、血氧采集模塊、防摔倒模塊）利用不同的傳感器從人體上獲取心電信號、血氧濃度和運動狀態(tài)等原始信息。分別是通過心電、血氧和防摔3個傳感器采集。心電傳感器的采集參數(shù)是心電圖，血氧傳感器的采集參數(shù)是血氧飽和度SPO2，防摔預警傳感器的測量參數(shù)是運動狀態(tài)特征值（SVM，SVM，TA）。

數(shù)據接入處理層是將與系統(tǒng)所需不一致的數(shù)據類型進行轉換。利用傳感器的源代碼找出各模塊現(xiàn)有的數(shù)據類型格式用一套新的算法進行相應的轉換，擬用藍牙、串口等方式將3個采集模塊連接到Android開發(fā)板上，再用Android開發(fā)板對3個模塊進行數(shù)據整合，將經過整合后含有血氧、心電和加速度信息的數(shù)據通過網絡（Wi-Fi）傳送給服務器。

智慧網絡服務層的主要功能是接收、存儲傳感器所采集的健康信息數(shù)據，并通過軟件對各類健康信息實時分析，同時添加預警功能。將服務器與數(shù)據庫連接，滿足數(shù)據存儲和調用的需求。服務器提供交互界面給終端用戶。緊急情況信息傳遞：通過算法監(jiān)測出發(fā)生摔倒或者心電圖和SPO2相關參數(shù)出現(xiàn)異常，應用程序調用短息網關功能給指定號碼發(fā)送預警短信。

1.2 總體架構設計

根據以上設計思路，本文設計了如圖2所示的物聯(lián)網環(huán)境下居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)。

老人居家健康信息數(shù)據可以從心率、血氧飽和度和運動狀態(tài)上采集，因此可利用不同的傳感器從人體上獲取心電信號、血氧濃度和運動狀態(tài)等原始信息，擬用藍牙、串口等方式將3個采集模塊連接到Android開發(fā)板上，利用Android開發(fā)板對3個模塊進行數(shù)據整合，將經過整合后含有血氧、心電和加速度信息的數(shù)據通過網絡（Wi-Fi）傳送給服務器。

居家養(yǎng)老健康信息分析與預警應用軟件主要應用在如今非常主流的Android平臺，實現(xiàn)對服務器數(shù)據訪問，并提供查詢功能；該軟件還具有預警模塊，用戶可以設置自己的地理位置和最佳救助地點，當預警發(fā)生，軟件會發(fā)送請求，通知救助單位進行及時救助。

圖2物聯(lián)網環(huán)境下居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)設計

圖3健康信息數(shù)據獲取部分設計

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 健康信息數(shù)據獲取部分設計

健康信息數(shù)據獲取部分按照功能可以劃分為數(shù)據感知單元、數(shù)據采集控制單元、數(shù)據傳輸單元、數(shù)據整合與交互控制單元以及數(shù)據接口單元。工作原理如圖3所示。

數(shù)據感知單元：負責獲取模擬健康信息，將心率、血氧、加速度信息轉化成的電壓變化，通過A/D轉換形成原始數(shù)字信號，交付給數(shù)據采集控制單元處理。

數(shù)據采集管理控制單元：作為健康信息采集傳感器的控制核心，負責協(xié)調控制數(shù)據感知單元和數(shù)據傳輸單元，一方面對數(shù)據感知單元提供的原始數(shù)字信號進行基本算法處理，得到原始健康信息數(shù)據，另一方面響應數(shù)據傳輸單元的請求提供原始健康信息數(shù)據。

數(shù)據傳輸單元：負責將該健康信息監(jiān)測傳感器采集到的健康信息數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據整合與交互控制單元，實現(xiàn)時通過藍牙或串口。

數(shù)據整合與交互控制單元：一方面，負責協(xié)調和控制3個傳感器模塊，使得3個模塊各自完成向本單元提供健康信息數(shù)據的功能，另一方面，負責整合3類不同的健康信息數(shù)據，重新規(guī)定健康信息的數(shù)據格式。

三類采集模塊工作原理：

心電采集模塊：

測量參數(shù)：心電圖（ECG）

心電圖是心臟興奮的發(fā)生、傳播及恢復過程的客觀指標。

測量方法：采取便攜式心電監(jiān)測模塊。主要通過手握壓力傳感器反映心電信號的變化，再通過A/D轉化將心電信號以心電圖的形式反映到顯示界面上。

血氧采集模塊：

公主嶺霉素是農用鏈霉菌農抗“769”的代謝產物，對包括水稻稻瘟病菌在內多種植物病害的病原菌具有較高的拮抗作用[2]，對多種植物病害表現(xiàn)出較好的防治效果。同時，該菌可通過誘導水稻植株防御酶系活性的變化而增強植株的抗病性[3]。筆者以公主嶺霉素水浸提液為試驗藥劑，通過研究盆栽模擬試驗及田間自然發(fā)生條件下公主嶺霉素對水稻稻瘟病的防控效果，調查公主嶺霉素水提液施用條件下田間水稻產量和品質的變化，為公主嶺霉素在生產上防治水稻稻瘟病害的推廣和應用提供參考，并為公主嶺霉素應用于水稻綠色生產提供理論和技術支持。

測量參數(shù)：血氧飽和度（SPO2）

血氧飽和度是體內新陳代謝狀況重要參數(shù)，血氧飽和度過低將嚴重影響人體的健康。因此血氧檢測對保證人體健康有著重要的意義。

測量方法：傳統(tǒng)的血氧飽和度測量方法是有創(chuàng)測量方法，目前已經慢慢地被無創(chuàng)測量方法代替。血氧飽和度的無創(chuàng)測量一般采用光電容積脈搏波描記法，通過將光電傳感器需套在人手指上，使用紅光（波長660nm）和近紅外光（波長940nm）作為射入光源，測定光電傳感器的光接收強度來計算血氧飽和度。

防摔預警模塊：

測量參數(shù)：運動狀態(tài)特征值（SVM，SVM，TA）

工作原理：利用三軸加速度傳感器和陀螺儀測量相關特征值通過算法判定是否發(fā)生跌掉。我們知道iPhone手機從4代開始配置三軸加速度傳感器和陀螺儀。三軸加速度傳感器可以感知物體在空間X，Y，Z方向的加速度，陀螺儀則可以很好的測量物理角度性的移動。

系統(tǒng)中我們使用模塊化的三軸加速度傳感器和陀螺儀收集身體的運動信息，再通過特征值判別算法分析人體是否發(fā)生跌倒行為。流程框圖如圖4所示。

圖4

2.2 健康信息監(jiān)測軟件設計

健康信息監(jiān)測軟件設計采用MVC框架，適用于Android與windows平臺，通過后端數(shù)據庫實現(xiàn)健康數(shù)據的存儲和監(jiān)測，前端通過數(shù)據接口單元獲取數(shù)據并展現(xiàn)給用戶，同時具備預警功能，其各組成單元如圖5所示。

健康監(jiān)測服務器：作為MVC框架中的控制器，控制軟件前端與后端服務器的數(shù)據交互以及后端服務器和數(shù)據庫之間的數(shù)據交互，是整個軟件部分的邏輯核心，通過web service實現(xiàn)。

數(shù)據接口單元1：實現(xiàn)健康監(jiān)測服務器和前端單元（數(shù)據展現(xiàn)單元、預警單元）數(shù)據交互，通過REST風格的接口實現(xiàn)。

數(shù)據展現(xiàn)單元：MVC框架中的視圖部分，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據展示功能，從數(shù)據接口單元1獲取需要的健康數(shù)據，通過網頁形式展現(xiàn)，適用于PC端或移動端。

預警單元：實現(xiàn)系統(tǒng)的預警功能，從數(shù)據接口單元1獲取預警信號，向用戶顯示預警消息，同時通過調用受測者的移動設備的短信功能發(fā)送預警短信。

數(shù)據接口單元2：實現(xiàn)健康監(jiān)測服務器和數(shù)據存儲單元間的數(shù)據交互，一方面，通過JPA持久化數(shù)據對象到后端數(shù)據庫中，另一方面，服務器通過該接口可調用數(shù)據庫中的數(shù)據，來響應數(shù)據展現(xiàn)單元的查詢請求。

數(shù)據存儲單元：作為MVC框架中的模型部分，負責按照規(guī)定的數(shù)據模型存儲健康信息數(shù)據，便于統(tǒng)一管理和健康監(jiān)測服務器調用，通過MySQL數(shù)據庫實現(xiàn)。

圖5健康信息監(jiān)測軟件設計

3 實際數(shù)據庫設計

后端數(shù)據庫通過MySQL數(shù)據庫實現(xiàn)，分為兩張表單，分別是用戶信息數(shù)據表和測量信息數(shù)據表，兩張表單通過統(tǒng)一的ID實現(xiàn)相互關聯(lián)。

3.1 用戶信息數(shù)據表（表1）

用戶信息數(shù)據表中包含：姓名，字符串類型數(shù)據，同時也是用戶登陸系統(tǒng)時使用的登陸名；年齡，整數(shù)型數(shù)據；身高和體重，浮點型數(shù)據；登錄密碼，字符串類型數(shù)據，由用戶自定義；ID，數(shù)據庫自動分配，便于表間數(shù)據關聯(lián)。

表1用戶信息數(shù)據表

3.2 測量信息數(shù)據表（表2）

健康信息數(shù)據表中包含：ID，與用戶信息數(shù)據表中的ID相對應，表明本條數(shù)據屬于某用戶；測量時間，字符串類型數(shù)據；心率，血氧和加速度，浮點型數(shù)據，反映受測者狀態(tài)。

表2測量信息數(shù)據表

結語

本文所設計的基于物聯(lián)網環(huán)境下居家養(yǎng)老健康信息感知分析和預警系統(tǒng)，具有明顯的智能、方便、多樣化的特性，該系統(tǒng)主要由心電采集模塊、血氧采集模塊、三軸加速度傳感器等部分組成，通過android開發(fā)板的藍牙或串口獲取數(shù)據，采用客戶端-服務器思想，搭建數(shù)據庫平臺進行健康信息分析，使得該系統(tǒng)具備強大的數(shù)據分析和存儲功能，用模塊化的思想實現(xiàn)低耦合。該系統(tǒng)不同于單片機和C語言實現(xiàn)集成，使用android開發(fā)板作為下位機，將3個模塊集成在同一個開發(fā)板上進行統(tǒng)一數(shù)據分析，反映出多項測量指標，易于佩戴者或其他人觀察，方便快捷地獲取信息。

參考文獻

［1］朱洪波，楊龍祥.物聯(lián)網技術體系創(chuàng)新與智慧服務產業(yè)發(fā)展［J］.信息通信技術，2013（5）：4-5.

［2］包濟民.遠程健康管理物聯(lián)網系統(tǒng)設計［J］.中國醫(yī)學裝備，2013，10（5）：52-53.

［3］李萍萍.溫室物聯(lián)網測控管理系統(tǒng)開發(fā)與數(shù)據同步研究［J］.農業(yè)機械學報，2015，46（8）：225-229.

［4］趙春燕.基于物聯(lián)網技術的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］.河北：河北工程大學，2012：3-6.

注：本項目由國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃支持。

中圖分類號：R197

文獻標識碼：A