支持云服務(wù)高性價(jià)比可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)研究

聞建強(qiáng)

(滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 傳媒與設(shè)計(jì)學(xué)院，滁州 安徽 239000)

2012年，谷歌眼鏡[1]的亮相，被稱為“智能可穿戴設(shè)備元年”.隨后幾年，各種智能可穿戴設(shè)備層出不窮，如耐克的智能運(yùn)動鞋、蘋果的智能手表、小米的智能手環(huán)等.與其他領(lǐng)域的結(jié)合應(yīng)用大為廣泛和深入，而且智能化程度也越來越高.可穿戴設(shè)備一般可以定義為可直接整合到用戶的衣服、配件等便攜式設(shè)備，提供數(shù)據(jù)交互功能，并可能給生活和感知帶來巨大影響[2-3].因此，對于可穿戴設(shè)備的研究，其意義和價(jià)值不言而喻.

主要討論可穿戴設(shè)備在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.得益于快速發(fā)展的現(xiàn)代科技，所有的健康問題都有著高性價(jià)比且省時(shí)的解決方案，可穿戴設(shè)備正是一個(gè)良好的解決方案[4].如文獻(xiàn)[5]開發(fā)出了一個(gè)基于代理的醫(yī)院預(yù)約調(diào)度系統(tǒng)，使用移動監(jiān)控器附于患者身上，基于安卓平臺進(jìn)行通信，主要針對心電圖.患者在應(yīng)用程序中注冊后，會為其創(chuàng)建一個(gè)特有的個(gè)人信息檔案.在查閱醫(yī)生檔案后，患者也可以選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間向某個(gè)醫(yī)生提出預(yù)約要求.研究表明[6-7]：醫(yī)院可以通過將數(shù)據(jù)存儲在Web數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)基于安卓操作系統(tǒng)的患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng).基于安卓的患者監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有便攜、小巧和可移動的特點(diǎn)，并且數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)存儲比較簡單[8].對于患者來說，醫(yī)療應(yīng)用程序能夠節(jié)省診斷的時(shí)間；而醫(yī)生則可以通過醫(yī)療應(yīng)用程序，足不出戶地在適合的時(shí)間對患者進(jìn)行診斷和治療.

文獻(xiàn)[9]提出使用藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對病人身體狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.包括身體狀態(tài)采集系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)和病人監(jiān)護(hù)中心.但監(jiān)測的參數(shù)較少，沒有加入運(yùn)動傳感器和定位系統(tǒng).醫(yī)患也無法進(jìn)行交流溝通.

文獻(xiàn)[10]提出了一種可穿戴設(shè)備，通過一個(gè)綁定協(xié)議使用戶通過物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行醫(yī)療保健，將公共醫(yī)療設(shè)備作為用戶的個(gè)人醫(yī)療設(shè)備來使用.計(jì)算引擎設(shè)備接收來自多個(gè)用戶健康設(shè)備的測量結(jié)果，并對這些結(jié)果進(jìn)行采集、分析和顯示.其缺點(diǎn)是單向信息交流平臺.而且公共設(shè)備的實(shí)時(shí)性有待考究.

系統(tǒng)模型關(guān)注于通過云計(jì)算和可穿戴技術(shù)，其最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)生之間的對接，有助于對健康狀況的監(jiān)控和管理，而且提供醫(yī)患交流平臺.提出的可穿戴設(shè)備嵌入了多種健康測量傳感器，所有的生命統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到云端，經(jīng)過授權(quán)的醫(yī)生可以在用戶提出需求后，從云端獲取到這些信息.本文的創(chuàng)新之處在于，通過整合多個(gè)廉價(jià)實(shí)用的傳感器到可穿戴設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測人的身體健康狀態(tài)，并使用云技術(shù)獲得云端互連交流的功能.另外，系統(tǒng)兼容藍(lán)牙和安卓，與其他類似系統(tǒng)相比具有較大優(yōu)勢.

1 提出模型的技術(shù)要求

提出的多個(gè)不同傳感器組成的可穿戴設(shè)備如圖1所示.通過一件外套連接到患者身體，傳感器連接到Arduino電路板，該電路板通過一個(gè)無線通信擴(kuò)展板(Wi-Fi Shield)實(shí)現(xiàn)Wi-Fi連接.這些傳感器通過消息隊(duì)列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協(xié)議[11-12]，將監(jiān)控到身體屬性的實(shí)時(shí)讀數(shù)發(fā)送到應(yīng)用程序.患者可以從這里訂閱，以便在自己的智能手機(jī)中接收到傳感器讀數(shù).這些讀數(shù)將被存儲于患者的數(shù)據(jù)庫中.患者選擇的醫(yī)生可以通過該患者的記錄和傳感器讀數(shù)，對該患者的健康情況進(jìn)行監(jiān)護(hù).在云端適當(dāng)?shù)卦O(shè)置不同參數(shù)數(shù)值，并以此為基礎(chǔ)對患者的健康狀況進(jìn)行監(jiān)護(hù).大多操作由在后臺運(yùn)行的應(yīng)用程序來完成.醫(yī)生可以根據(jù)對病情的判斷，采取適當(dāng)?shù)拇胧?

圖1 整體模型框架

1.1 硬件規(guī)格

1.1.1 傳感器介紹

(1)心率傳感器：心率傳感器以光電容積脈搏波描記法的原理為基礎(chǔ).如果血液體積的變化引起了任何器官中光強(qiáng)度的變化，那么傳感器將檢測到該變化.本文所用心率傳感器是SON7015，該傳感器通常在+5 V(范圍為2.3～6 V)直流穩(wěn)壓調(diào)節(jié)下的工作電流為100 mA，功耗小于0.5 mA，同時(shí)該傳感器還可被用于檢測某個(gè)給定時(shí)間的血壓.

(2)呼吸傳感器：呼吸檢測是生理狀態(tài)評估的關(guān)鍵要素之一.可以提供與心臟、神經(jīng)和肺部疾病相關(guān)的重要信息.本文所用呼吸傳感器是蘇州能斯達(dá)公司生產(chǎn)的HX-01，呼吸傳感器的帶寬為0～15 Hz，消耗電流為4 mA，厚度小于0.35 mm，長度不超過60 mm.

(3)應(yīng)激焦慮傳感器：主要任務(wù)是檢測一個(gè)人在某時(shí)刻是否處于緊張狀態(tài).這一檢測通過對皮膚電反應(yīng)(Galvanic Skin Response,GSR)進(jìn)行測量，GSR受不同身體部位的出汗量影響.本文所用的應(yīng)激焦慮傳感器是CRP-M100，本文將使用在+5 V電壓下電流消耗為5 mA的應(yīng)激焦慮水平傳感器.

(4)體溫傳感器：該傳感器支持對體溫進(jìn)行測量.許多疾病都伴有體溫的特征性變化，同樣，可以通過測量體溫來監(jiān)控某些疾病的病程.本文所用的體溫傳感器是深圳亞科盛科公司的AS5600，使用了在+5 V電壓下電流消耗為4 mA的體溫傳感器.

(5)血糖傳感器：該傳感器晝夜不停地記錄血糖水平.通過該傳感器，可以觀察到血糖水平的發(fā)展方向和速度的趨勢.本文所用的血糖傳感器是NPA-100M-033D，其帶寬為0～25 Hz，電流消耗為6 mA.信號代表著血液中的含糖量.

這些傳感器將被整合在一起，以組成體域網(wǎng).

1.1.2 Arduino

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，上述5個(gè)傳感器連接到Arduino Uno，包括14路數(shù)字輸入/輸出引腳(其中6路可作為PWM輸出使用)、6路模擬輸出、1個(gè)16MHz晶體振蕩器、1個(gè)USB接口、1個(gè)電源插座、1個(gè)ICSP header和1個(gè)復(fù)位按鈕.Arduino支持微控制器[13]所需要的一切.要啟動Arduino Uno，可以簡單地使用1根USB連接線將其連接到電腦.

1.1.3 Wi-Fi Shield

Wi-Fi Shield允許Arduino板使用802.11無線規(guī)范連接到Wi-Fi.其基于HDG204無線局域網(wǎng)802.11b/g系統(tǒng)級封裝.Wi-Fi Shield上有一個(gè)板載micro-SD插槽，可被用于通過網(wǎng)絡(luò)存儲服務(wù)所需的文件.且板載micro-SD讀卡器可以通過SD庫來訪問.

1.2 軟件規(guī)格

1.2.1 MQTT協(xié)議設(shè)置

MQTT代表MQ遙測傳輸，是一個(gè)非常簡單的輕量級消息協(xié)議，主要針對受限設(shè)備、低帶寬、高延遲或可靠性差的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì).其設(shè)計(jì)原則是在盡量較少網(wǎng)絡(luò)帶寬和設(shè)備資源基礎(chǔ)上，保證可靠性和一定程度的交付.這些原則也使得該協(xié)議成為“機(jī)器到機(jī)器”(Machine to Machine,M2M)的理想?yún)f(xié)議.因此，MQTT協(xié)議被用于移動應(yīng)用程序獲取來自傳感器讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法.該協(xié)議還確保了網(wǎng)絡(luò)的安全性和隱私性.MQTT的V3.1版本中，用戶名和密碼與一個(gè)MQTT包一起傳遞.網(wǎng)絡(luò)上可以通過獨(dú)立于MQTT協(xié)議的SSL進(jìn)行加密，因此MQTT協(xié)議將駐留在云服務(wù)中.

1.2.2 應(yīng)用開發(fā)

安卓平臺具備極其廣大的用戶覆蓋面，提出的應(yīng)用正是在其上開發(fā)的.應(yīng)用程序開發(fā)所用的軟件為安卓開發(fā)工具Android Studio，是一個(gè)在安卓平臺上的集成式開發(fā)環(huán)境.該應(yīng)用程序?yàn)檩p量級應(yīng)用，向醫(yī)生和患者提供便利的訪問.

1.2.3 云存儲

云存儲在這個(gè)項(xiàng)目中發(fā)揮著支柱作用，存儲著所有的數(shù)據(jù)，包括患者注冊時(shí)輸入的所有數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)存儲是至關(guān)重要的，同時(shí)還確保所有的重要數(shù)據(jù)的備份.與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲方法相比較，云存儲還能更簡單地進(jìn)行數(shù)據(jù)的備份和恢復(fù).有許多云服務(wù)提供商可以幫助監(jiān)控和管理基于云的應(yīng)用程序，提供分析支持和推送服務(wù)，以創(chuàng)建用戶和云存儲之間的直接通信渠道.

2 系統(tǒng)運(yùn)行

2.1 可穿戴設(shè)備

可穿戴設(shè)備可測量心率、體溫、血糖水平、呼吸率以及應(yīng)激焦慮水平.傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感器和微控制器(本文為Arduino Uno)，傳感器獲取數(shù)據(jù)并發(fā)送給微控制器.其中，所有傳感器均向微控制器發(fā)送模擬數(shù)據(jù).為使數(shù)據(jù)可以被微控制器理解，需要將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式.這一轉(zhuǎn)換通過集成在微控制器中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器[14](Analog-to-Digital Converter,ADC)來完成.每個(gè)節(jié)點(diǎn)的5個(gè)傳感器、微控制器、Wi-Fi和供電情形如圖2所示.傳感器向微控制器發(fā)送脈沖信號，而微控制器則將該信號轉(zhuǎn)換為機(jī)器語言.微控制器與Wi-Fi shield相連接，因此可以通過Wi-Fi發(fā)送數(shù)據(jù).微控制器的作用是實(shí)現(xiàn)傳感器與Wi-Fi的連接.

圖2 Arduino連接示意圖

2.2 向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)

傳感器連接到Arduino的Wi-Fi shield以實(shí)現(xiàn)Wi-Fi連接，通過Wi-Fi向智能設(shè)備應(yīng)用程序發(fā)送實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù).MQTT的部署是一種標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，因?yàn)镸QTT協(xié)議駐留在云端，發(fā)揮著中介作用.并在資源上定義執(zhí)行正確操作的方法.那么資源代表著什么？究竟是采用先前存在的數(shù)據(jù)，還是動態(tài)生成的數(shù)據(jù)？這些都取決于服務(wù)器的實(shí)施.而MQTT首先等待與服務(wù)器建立連接，然后，服務(wù)器將傳感器數(shù)值發(fā)布到云端.MQTT發(fā)送數(shù)據(jù)，并在請求傳遞給客戶端后立即返回?cái)?shù)據(jù)至應(yīng)用程序.MQTT的整體機(jī)制如圖3所示(針對體溫).

圖3 MQTT的機(jī)制

2.3 醫(yī)患交流

醫(yī)患交流如圖4所示，圖4中的第1個(gè)圖形界面(左邊)是患者智能設(shè)備上的應(yīng)用程序.在該流程中，首先是患者注冊階段，患者選擇應(yīng)用程序啟動時(shí)顯示的新用戶選項(xiàng)，并提交具體資料.患者的初始數(shù)據(jù)將被存儲在云中.而患者傳感器以實(shí)時(shí)形式讀取所有數(shù)據(jù)，并放在另一個(gè)云端，作為MQTT服務(wù)的中介.因此，為了獲得這一數(shù)據(jù)，智能設(shè)備上的應(yīng)用程序需要向云MQTT發(fā)起訂閱.然后，這些數(shù)據(jù)將被展示給患者用戶.患者還可以選擇自身認(rèn)為最適合其病情治療的醫(yī)生.被患者選擇的醫(yī)生能夠訪問該患者的詳細(xì)數(shù)據(jù)，查看患者目前的健康狀況并據(jù)此采取相應(yīng)行動.患者也可以選擇創(chuàng)建一個(gè)新的線上預(yù)約，選擇日期等.在此之后，患者則需要等待其預(yù)約狀態(tài).

圖4 應(yīng)用程序體系結(jié)構(gòu)的流程圖

在患者完成賬號登錄后，其智能手機(jī)上將顯示查看預(yù)約的選項(xiàng)，患者點(diǎn)擊該選項(xiàng)即可查看預(yù)約狀態(tài).一旦患者的應(yīng)用程序發(fā)送了預(yù)約安排請求，醫(yī)生方的應(yīng)用程序即開始發(fā)揮作用.與患者相似，醫(yī)生首先通過用戶名和密碼進(jìn)行登錄.完成登錄后，醫(yī)生可以查看所有預(yù)約安排請求.可以根據(jù)自己的日程安排，接受或拒絕預(yù)約.一旦預(yù)約得到確認(rèn)，患者方的預(yù)約即變?yōu)榇_認(rèn)狀態(tài).此后，醫(yī)生和患者將使用一些在線視頻語音交流工具進(jìn)行互動.患者的注冊界面和使用主界面分別如圖5(a)～(b)所示，一旦連接，主要的交流方式是視頻語音，這樣的方式簡單、高效、直接.

(a) 注冊界面

(b) 登陸界面圖5 患者的注冊界面與登陸界面

3 使用制作與評價(jià)

3.1 可穿戴設(shè)備的制作使用

提出的可穿戴設(shè)備使用Arduino和各種傳感器制作而成.這些傳感器讀取各種類型的體征數(shù)據(jù).圖6～9給出了可穿戴設(shè)備的制作和使用方式.

圖6 帶電作業(yè)

圖7 使用Arduino和各種傳感器的可穿戴設(shè)備

圖8 可穿戴設(shè)備附著在胳膊上

圖9 手指上的傳感器節(jié)點(diǎn)

3.2 比較評價(jià)

為了對可穿戴設(shè)備進(jìn)行性能評價(jià)，需要了解一些基礎(chǔ)特點(diǎn).

數(shù)值范圍：可穿戴設(shè)備中的每個(gè)傳感器均在一個(gè)指定范圍內(nèi)工作.設(shè)計(jì)范圍通常是固定不變的.如果出現(xiàn)范圍溢出的意外情況，則可能會導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)永久性損傷或毀壞.傳感器的不同范圍如表1所示.

表1 監(jiān)測不同體征屬性的正常數(shù)值范圍

TP(真陽性率)=被預(yù)測為True，實(shí)際也為True的記錄.

TN(真陰性率)=被預(yù)測為False，實(shí)際也是False的記錄.

FP(假陽性率)=被預(yù)測為True，實(shí)際為False的記錄.

FN(假陰性率)=被預(yù)測為False，實(shí)際為True的記錄.

為評估本文可穿戴系統(tǒng)的效率，對200多位患者進(jìn)行了可穿戴設(shè)備的性能測試，并記錄下了真陽性、真陰性、假陽性和假陰性的數(shù)量.隨機(jī)抽取的部分實(shí)驗(yàn)記錄如表2所示.

表2 患者健康指示的實(shí)例

因此，根據(jù)隨機(jī)抽取的這些實(shí)驗(yàn)記錄，則敏感度、準(zhǔn)確度、精度和特異度結(jié)果如下：

敏感度=0.87；準(zhǔn)確度=0.85；精度=0.86；特異性=0.81.

這些數(shù)值表明本文提出的系統(tǒng)整體上具有極高的效率，能夠?yàn)橛脩魩砬袑?shí)的幫助.

表3是幾種醫(yī)用可穿戴設(shè)備的綜合比較.其中文獻(xiàn)[5]～[6]、[9]均采集了心電圖參數(shù).本文系統(tǒng)的傳感器數(shù)量最多.自動化醫(yī)患交流是本文主要特點(diǎn)之一，這需要在安卓端進(jìn)行大量軟件開發(fā)，包括UI的設(shè)計(jì).

表3 與一些現(xiàn)有系統(tǒng)的綜合比較

3.3 設(shè)備成本

整個(gè)設(shè)備的成本是個(gè)重要因素，有助于分析提出系統(tǒng)的合理性和可行性.本文提出的可穿戴設(shè)備不同組件的價(jià)格具體如表4所示.

表4 組件信息

這些組件的總成本大約為362元.如果大批量購買，一個(gè)產(chǎn)品的整體成本可能會更低.上述并沒有列舉軟件價(jià)格，因?yàn)榇蟛糠智闆r下可以使用免費(fèi)軟件.所以整體價(jià)格相當(dāng)便宜合理.

4 結(jié) 論

本文提出的一種可測量患者多個(gè)重要參數(shù)的可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為患者帶來很大幫助，可有效地縮短醫(yī)患距離，并節(jié)省了患者的寶貴時(shí)間.為老年人或患有各種疾病而行動受限的人群提供了便利性，促進(jìn)了患者的活動和就醫(yī)行為，由此提高其生活質(zhì)量.而且綜合成本也比較低.

感知設(shè)備會受到固有通信和硬件的限制，包括不可靠的有線/無線網(wǎng)絡(luò)鏈路、干擾以及電力限制.這可能會導(dǎo)致將錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)集發(fā)送給終端用戶；有些時(shí)候由于應(yīng)用程序加載的原因，傳感器讀數(shù)的加載可能會有延時(shí).同時(shí)，如果操作系統(tǒng)版本較低，則不利于實(shí)現(xiàn)軟件功能，應(yīng)用程序可能會出現(xiàn)崩潰的情況.

未來將致力于將應(yīng)用程序擴(kuò)展到蘋果的IOS系統(tǒng)和Windows等系統(tǒng)平臺上，現(xiàn)階段提出的應(yīng)用程序僅適用于采用安卓系統(tǒng)的智能設(shè)備.還可以通過ZigBee等先進(jìn)技術(shù)加快數(shù)據(jù)的處理和傳輸.