基于OneNET 的多功能翻身床設計*

劉澤源，李來文，陳希明，裴永旭，黃楚俊，周 昕

（哈爾濱理工大學 計算機科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱150080）

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)（IoT，Internet of things）即“萬物相連的互聯(lián)網(wǎng)”，是互聯(lián)網(wǎng)基礎上的延伸和擴展的網(wǎng)絡，將各種信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個巨大網(wǎng)絡，實現(xiàn)在任何時間、任何地點，人、機、物的互聯(lián)互通[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術作為重要的第三信息技術，是在計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)技術后的一項重要技術，搭載計算機技術、感應技術以及智能化技術在各個經(jīng)濟發(fā)展領域發(fā)揮的作用越來越重要。在健康醫(yī)療領域、智能環(huán)境領域、個人和社會領域等，具有十分廣闊的市場和應用前景[4]。在當今臥床病人數(shù)量持續(xù)增加、護工護理費用居高不下、病患家屬難以隨時貼身護理的現(xiàn)狀下，借助物聯(lián)網(wǎng)平臺的便捷性、實時性和萬物相連的特性，得以研究無需他人陪護的新型多功能護理床——基于OneNET 的多功能翻身床設計。

2 多功能翻身床功能描述

成年人皮膚正常的毛細血管壓為2.1～4.4kPa，當局部組織承受超過此范圍上限的壓力時即可減少甚至阻斷皮下毛細血管對組織的灌注，如果壓迫時間超過2h，就可導致不可逆性損傷。患者因疾病原因被迫使身體處于某種固定的體位而無法自主變換，久而久之必然使該部位持續(xù)受壓，從而出現(xiàn)局部皮膚組織壞死隨即形成壓瘡[2]。本項目的研究成果，即多功能翻身床提供了病患、家屬、醫(yī)院三位一體的閉環(huán)管理。在傳統(tǒng)護理床僅能為病人提供長期平躺支撐的基礎上，通過床板的運動帶動了病人身體的運動，通過改變身體與床的接觸位置和角度來減小壓強，以避免局部組織長時間承受過大的垂直壓力，從根本上減少了壓瘡發(fā)生的可能性。本項目提供0～40 度的起背角度、0～45 度的屈腿角度和0～40 度的翻身角度，可以滿足絕大多數(shù)患者的使用需求。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術和多種傳感器的應用，病患家屬使用手機App 即可遠程控制病人的翻身和運動，實時查看病患的身體健康特征和病人的定時翻身等功能，大大減少了病患家屬實時陪護的需求，緩解了病患家屬的心理和生活負擔。本翻身床還支持語音控制功能，方便行動不便但語言能力尚可的用戶通過語音控制翻身床。

3 項目總體設計

本項目在總體設計上分為四層，如圖1 所示，其中，第一層為感知層，包括生命體征監(jiān)控傳感器和多個協(xié)同作用的電機，用以采集信息和實現(xiàn)功能；第二層為網(wǎng)絡層，主要為OneNET 物聯(lián)網(wǎng)平臺；第三層為服務層，主體為運行于云服務器的后臺管理系統(tǒng)和MySQL 數(shù)據(jù)庫，存儲用戶信息和健康數(shù)據(jù)，以暴露接口及API 的方式屏蔽復雜的物聯(lián)網(wǎng)平臺操作，支撐客戶端的實現(xiàn)；第四層為應用層，以網(wǎng)頁、手機App 的方式為用戶提供人性化的操作界面。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構圖

3.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺的選用

OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺是中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司基于物聯(lián)網(wǎng)技術和產(chǎn)業(yè)特點打造的開放平臺和生態(tài)環(huán)境，適配多種網(wǎng)絡環(huán)境和協(xié)議類型，支持各類傳感器和智能硬件的快速接入和大數(shù)據(jù)服務，提供豐富的API、SDK 和開發(fā)手冊以支持各類智能硬件設備和行業(yè)應用的開發(fā)，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)和部署成本，滿足物聯(lián)網(wǎng)領域設備連接、協(xié)議適配、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)安全、大數(shù)據(jù)分析等平臺級服務需求[3]。

中移OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供了HTTP、TCP 穿透、EDP 和MQTT 等接入?yún)f(xié)議的支持，HTTP 接入方法使用成熟的HTTP 協(xié)議，將設備配對信息和安全授權信息存在HTTP 請求的head 內(nèi)，將請求數(shù)據(jù)和消息存放在body 內(nèi)，使用HTTP 協(xié)議典型的POST、GET 和PUT 等方法發(fā)送。由于本系統(tǒng)主要以硬件與后臺服務器的信息傳遞為主要應用場景，故針對設備與設備間連通的MQTT協(xié)議和需要高自由度定制腳本的TCP 穿透不適用于本系統(tǒng)。而相比于復雜且主要針對長連接點對點控制的EDP 協(xié)議，HTTP 協(xié)議不僅簡單易用，且擁有大量的開發(fā)工具和開發(fā)文檔，易于項目開發(fā)與維護，故本系統(tǒng)使用HTTP 協(xié)議來處理硬件平臺與云服務器的連接。

圖2 硬件平臺設計

3.2 物聯(lián)網(wǎng)平臺的開發(fā)與使用

OneNET 云平臺以產(chǎn)品（product）表示整個項目，每個產(chǎn)品包括多個設備（device）、APIKey 和觸發(fā)器（trigger），其中，設備是真實終端設備在項目中的映射，在本項目中，一張翻身床即注冊為一個設備。每個設備可以配置多個數(shù)據(jù)流，一個數(shù)據(jù)流代表一個數(shù)據(jù)指標的數(shù)據(jù)記錄，如溫濕度、光強等。每個產(chǎn)品下還可以配置多個觸發(fā)器，當觸發(fā)器綁定的數(shù)據(jù)流達到閾值時，即可根據(jù)預設規(guī)則向后臺服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。

當涉及注冊用戶添加一個與多功能翻身床的關聯(lián)需要在產(chǎn)品下新增設備的場景時，服務器向OneNET 平臺提供的URL 為http：//api.heclouds.com/devices 的接口發(fā)送POST 請求，并將設備相關信息添加到HTML 的body請求體中。由于在開發(fā)過程中已將項目需要的數(shù)據(jù)流以數(shù)據(jù)流模版的方法設定好，故添加設備時不需要再次手動添加數(shù)據(jù)流，提升了用戶綁定翻身床時的速度和體驗。在服務器查詢指定設備當前的狀態(tài)和生命體征信息或硬件平臺向OneNET 云平臺獲取用戶最新指定的電機轉(zhuǎn)動角度，以實現(xiàn)用戶需求等涉及到向OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺查詢數(shù)據(jù)流信息的使用場景時，都使用URL 為http：//api.heclouds.com/devices/device_id/datastreams 的API，該接口在使用時需通過GET 方法將需要請求的數(shù)據(jù)流名稱以URL 請求參數(shù)的方式添加，并返回以JSON 形式封裝的所有數(shù)據(jù)流指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)。

3.3 項目硬件平臺的設計

本項目硬件平臺的設計如圖2 所示，通過Arduino開發(fā)板控制機械結(jié)構來實現(xiàn)翻身護理功能，在此基礎上再加上多種人體生命體征監(jiān)測模塊，多舵機協(xié)同工作來提供硬件層面的支持。Arduino 開發(fā)板根據(jù)從OneNET 平臺獲取到的調(diào)整位置和角度信息，讓舵機轉(zhuǎn)動特定角度控制相關操作。

網(wǎng)絡通信方面，本項目選用ESP8286 芯片，具有較大的工作溫度范圍，能夠為系統(tǒng)的運行提供穩(wěn)定的通信服務，并提供了較高的集成度，芯片內(nèi)集成了功率放大器、無線開關、射頻巴倫和電源管理模塊等，有效降低了外圍電路的體積，減少了PCB 的空間占用。在網(wǎng)絡連接上提供了家庭用戶常見的WI-FI 連接方式，進一步降低了用戶使用本系統(tǒng)的硬件要求。

溫濕度監(jiān)測模塊采用DHT11，其測量范圍為濕度20-90%RH，溫度0～50℃，測量精度為濕度+-5%RH，溫度+-2℃，傳感器包括一個電阻式濕度傳感器和一個NTC測溫元件，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。通過4 針單排引腳與STM32 開發(fā)板連接并傳輸單總線數(shù)字信號。

為了讓患者自身也可以方便的控制翻身床，本項目增加了語音控制功能，語音控制模塊采用科大訊飛XFS5152 芯片，該芯片支持30個命令詞的識別，并支持用戶的命令詞定制需求。除此之外，該芯片還支持語音編碼解碼功能，用戶可以使用芯片直接進行錄音和播放。

3.4 項目軟件架構的搭建

基于對多用戶管理、醫(yī)院客戶統(tǒng)一管理調(diào)控和數(shù)據(jù)記錄分析的需求，服務層開發(fā)了運行于Cent OS7 系統(tǒng)的基于MVC 體系結(jié)構的后臺管理程序，具有低耦合性、高重用性和高維護性的優(yōu)勢。在框架選擇上使用了Spring+SpringMVC+MyBatis 框架整合。作為目前主流的Web 程序開發(fā)框架，SSM 框架整合使用為項目的開發(fā)和維護提供了更便捷的方式，其中，Spring 框架提供了IoC 控制反轉(zhuǎn)和AOP 面向切面編程，利用控制翻轉(zhuǎn)以降低類與類之間的依賴性并提高了類的重用性，并使用AOP 面向切面編程分離了核心業(yè)務代碼和事物、日志等非核心業(yè)務代碼，提高了代碼的可維護性；SpringMVC 根據(jù)MVC 設計思想對web 業(yè)務解耦，簡化了請求轉(zhuǎn)發(fā)和視圖管理代碼的開發(fā)；MyBatis 作為數(shù)據(jù)對象的持久化引擎封裝了傳統(tǒng)JDBC，使代碼對數(shù)據(jù)庫的操作更為透明，并提供了類與SQL 語句的映射。

本項目在服務層添加了緊急提醒模塊，在突發(fā)情況發(fā)生時，及時向指定的目標發(fā)送警報。首先針對病患家屬和醫(yī)院企業(yè)用戶，在后臺服務器開放一個接口，供OneNET 的觸發(fā)器使用。當病患生命體征信息超過設置的閾值時，觸發(fā)器向服務器指定的接口發(fā)送相關信息，服務器收到信息后使用簡單郵件傳輸協(xié)議（SMTP）實現(xiàn)郵件發(fā)送，提醒有關用戶和醫(yī)院。緊急提醒模塊使用觀察者模式開發(fā)，將用戶設置的緊急聯(lián)系人和相關醫(yī)護人員封裝成實現(xiàn)觀察者接口的類，加入本模塊的觀察者列表中，在需要通知相關人員時，遍歷該列表，以實現(xiàn)逐個通知的目的。緊急提醒模塊同樣適用于本項目的開發(fā)運營與維護階段，當系統(tǒng)硬件平臺監(jiān)測到異?；蚍掌餍畔@取失敗時，同樣通過緊急提醒模塊向開發(fā)者和維護人員發(fā)送提醒信息。

為了提高本系統(tǒng)的安全性，通過使用firewalld 服務配置防火墻策略交由內(nèi)核層面的nftables 包過濾框架過濾非法訪問，由于本后臺僅供多功能翻身床用戶使用，故在端口方面通過firewall-cmd --zone=public --addport=portNum/tcp -permanent 命令僅開放HTTP 相關的80/8080/3128/8081/9098 端口，并禁止外部鏈接訪問MySQL 使用的3306 端口，進一步提高安全性。

本項目在應用層面提供了包括手機App 多種操作方式，并向醫(yī)院提供統(tǒng)一管理系統(tǒng)，良好滿足絕大多數(shù)用戶的使用需求。除此之外，本項目也提供了傳統(tǒng)的安卓原生應用。應用層客戶端同樣通過HTTP 協(xié)議向服務器給出的接口，根據(jù)用戶指令發(fā)送相關數(shù)據(jù)至服務層服務器，以完成操作。在程序的運行過程中定時向服務器獲取病人周圍環(huán)境情況，以更新主頁的信息展示，后臺服務器通過循環(huán)隊列記錄各項數(shù)據(jù)，供用戶查看。

4 結(jié)束語

本項目基于OneNET 物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供的萬物互聯(lián)互通、遠程實時調(diào)控和互聯(lián)網(wǎng)的方便快捷，為當今日益嚴重的壓瘡問題找到了一個低成本、便捷可行且節(jié)約人力物力的解決辦法。通過較為成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術，結(jié)合軟件開發(fā)、嵌入式開發(fā)和移動平臺開發(fā)等技術，切實緩解了人們生活中的一些問題，是物聯(lián)網(wǎng)技術走進普通民眾生活的一次實踐。