基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭健康系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

程慧君 蘇子荷 許慧

摘要：2020年新冠疫情爆發(fā)以來，居家隔離成為了防疫的重要方式，人民群眾對(duì)家庭健康的需求也日益增長(zhǎng)。本文主要研究與設(shè)計(jì)智慧家庭健康系統(tǒng)，借助智能傳感器和各種基礎(chǔ)醫(yī)療設(shè)備檢測(cè)健康數(shù)據(jù)，用戶可以實(shí)時(shí)掌握自己的健康情況，采取對(duì)應(yīng)措施治理或預(yù)防。從預(yù)防疾病、提倡健康生活方式出發(fā)，為廣大家庭用戶提供便捷的健康生活入口。

關(guān)鍵詞：智慧家庭;無線通信;健康管理;移動(dòng)醫(yī)療

新冠肺炎疫情來勢(shì)洶洶，在家隔離是阻礙病毒傳播的重要方法。但從體質(zhì)健康方面來說，在家隔離會(huì)使人們的活動(dòng)范圍變小，不能得到有效鍛煉，飲食單一、容易有心理壓力。同時(shí)，由于不能去醫(yī)院，身體健康體檢無法正常進(jìn)行。在這種情況下，人們對(duì)居家健康管理的需求大大增加。本文主要研究與設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭健康系統(tǒng)，集本地醫(yī)療設(shè)備、云服務(wù)器、智能終端于一體，為家庭成員提供身體檢測(cè)、疾病預(yù)防、健康生活方式等低成本、高效益的服務(wù)，提高家庭生活質(zhì)量。

1 總體設(shè)計(jì)方案

家庭健康系統(tǒng)總體框架主要由各種基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)備、智能終端和云服務(wù)器組成。家庭健康系統(tǒng)的主要思想是綜合血壓儀、體脂秤和血糖儀等醫(yī)療設(shè)備于一體，通過這些基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)人體指標(biāo)，得到人體健康數(shù)據(jù)，再通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)并保存到健康云服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，服務(wù)器軟件將數(shù)據(jù)展示在平臺(tái)上并通過大數(shù)據(jù)處理分析后反饋給用戶。家庭用戶通過登錄智能終端，可以實(shí)時(shí)了解用戶的血壓、體脂和血糖的變化趨勢(shì)，及時(shí)針對(duì)用戶身體狀況制定相應(yīng)的治療措施。家庭健康系統(tǒng)要求能隨時(shí)接受用戶的生理信號(hào)（體溫、體重、血壓等），記錄以及顯示用戶檢測(cè)的數(shù)據(jù)到智能終端設(shè)備上，當(dāng)用戶的生理測(cè)量數(shù)據(jù)超越規(guī)定的安全范圍時(shí)，會(huì)向用戶提示注意事項(xiàng)以及解決措施，此外，用戶能隨時(shí)使用智能終端設(shè)備查看歷史記錄。

2、功能模塊

基礎(chǔ)檢測(cè)設(shè)備包括健康一體機(jī)、血壓儀、血糖儀、體脂秤等。其中健康一體機(jī)能夠采集個(gè)人的心電指數(shù)、血壓數(shù)據(jù)、體溫等數(shù)據(jù)，一體機(jī)還有Wifi和藍(lán)牙模塊，能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)通過Wifi上傳到服務(wù)器。血糖通過市場(chǎng)上購(gòu)買的具有無線傳輸功能的血糖儀采集，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器。經(jīng)過身份識(shí)別卡或身份證、醫(yī)保卡等進(jìn)行本人的身份識(shí)別，本人通過刷卡確認(rèn)身份后，所測(cè)量的數(shù)據(jù)自動(dòng)與該家庭用戶綁定。

定位功能，綁定定位終端通過定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)某個(gè)家庭成員的實(shí)時(shí)定位信息，一段時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡。還可以設(shè)定電子圍欄，使家庭成員在一定范圍內(nèi)活動(dòng)，超出活動(dòng)區(qū)域，能夠及時(shí)報(bào)警。終端管理，在這里為家庭成員綁定終端設(shè)備，使設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠與系統(tǒng)對(duì)接。體檢信息管理，在這里添加兒童的信息，包括體重、體溫等的信息。健康監(jiān)控管理，接入健康一體機(jī)，刷卡建立兒童健康的信息，測(cè)量健康各項(xiàng)數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)界面顯示每個(gè)兒童的健康監(jiān)控界面。健康參數(shù)管理，在這里對(duì)健康項(xiàng)目的基礎(chǔ)值進(jìn)行設(shè)置，這樣系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將兒童體檢的實(shí)際數(shù)值與基礎(chǔ)值進(jìn)行比較，如果超出這個(gè)范圍，系統(tǒng)會(huì)對(duì)該兒童的該項(xiàng)體檢項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)警，在平臺(tái)和app會(huì)顯示預(yù)警信息詳情，以提醒家庭用戶等及時(shí)關(guān)注兒童的身體健康。健康預(yù)警管理，這里是兒童的健康數(shù)值超出安全范圍時(shí)，自動(dòng)對(duì)兒童的健康信息進(jìn)行預(yù)警。

智能終端，在這為家庭用戶綁定終端設(shè)備，使設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠與系統(tǒng)對(duì)接。智能手機(jī)可以與云服務(wù)器進(jìn)行交互，顯示、處理云服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)。用戶不在家中時(shí)，可以智能手機(jī)來訪問云服務(wù)器查看用戶的歷史記錄。智能手機(jī)軟件架構(gòu)包含信息管理單元，數(shù)據(jù)處理單元，通信單元三部分。

實(shí)時(shí)報(bào)警、持續(xù)監(jiān)測(cè)：智能應(yīng)用終端能對(duì)穿戴式設(shè)備測(cè)量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，對(duì)異常數(shù)據(jù)能及時(shí)報(bào)警。當(dāng)智能穿戴式設(shè)備開啟監(jiān)控模式時(shí)，智能終端設(shè)備應(yīng)用能一直處在工作狀態(tài)。要求系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、分析、判斷并做出響應(yīng)。

3、軟件設(shè)計(jì)

智能設(shè)備接口，包含GPS定位接口、醫(yī)療設(shè)備接、穿戴設(shè)備接口等，主要處理與系統(tǒng)對(duì)接的體征檢測(cè)設(shè)備、定位設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方式和數(shù)據(jù)格式。通過Serial port控件來讀取串口信息，顯示在客戶端的界面上，并通過因特網(wǎng)發(fā)送家庭健康服務(wù)系統(tǒng)。用戶桌面系統(tǒng)，包括子女桌面子系統(tǒng)、管理人員桌面子系統(tǒng)、醫(yī)生桌面子系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)不同的用戶角色擁有不同的權(quán)限，對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。移動(dòng)端應(yīng)用層，包括被檢測(cè)人員 APP、家庭成員APP、管理APP等。應(yīng)用系統(tǒng)層，包括健康監(jiān)測(cè)、家庭成員關(guān)愛、監(jiān)測(cè)設(shè)備管理模塊等?；A(chǔ)組件服務(wù)層，包括地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、即時(shí)通信服務(wù)、短信服務(wù)等。系統(tǒng)軟件層，包括使用的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、IT基礎(chǔ)設(shè)備等。系統(tǒng)安全服務(wù)，包括認(rèn)證授權(quán)、應(yīng)用層安全、數(shù)據(jù)息安全、系統(tǒng)的安全及網(wǎng)絡(luò)安全等。

智能手機(jī)有2種通信模式。一種是當(dāng)智能手機(jī)和智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒處于同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它通過和智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒建立 TCP 連接，來獲取智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒傳輸?shù)臄?shù)據(jù);另一種是當(dāng)智能手機(jī)處于離線模式，即不與智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒處于同一家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它通過和云端服務(wù)器建立 TCP 連接，來查詢用戶測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)。下面就這兩種模式分別展開說明。

（1）智能手機(jī)與智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒建立連接

智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒通過2.4GHz無線通信技術(shù)接收智能穿戴式設(shè)備測(cè)量的生理參數(shù)。當(dāng)智能手機(jī)與智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒建立連接時(shí)，機(jī)頂盒作為中轉(zhuǎn)站，將接收的智能穿戴式設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能手機(jī)，用戶可以同時(shí)在機(jī)頂盒和手機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作處理。智能手機(jī)與智能機(jī)頂盒建立正常連接流程有如下幾個(gè)步驟。

第一步，智能手機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用，獲取設(shè)備的IMEI號(hào)和型號(hào)，啟動(dòng)UDP服務(wù)，來獲取智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒通過UDP廣播的IP地址和端口。第二步，智能手機(jī)收到UDP數(shù)據(jù)包，通過數(shù)據(jù)解析，得到智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒的IP地址和端口，與智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒進(jìn)行TCP連接。第三步，建立完成TCP連接，智能手機(jī)發(fā)送設(shè)備IMEI號(hào)和型號(hào)給機(jī)頂盒，機(jī)頂盒允許智能手機(jī)接入。第四步，智能手機(jī)啟動(dòng)接收線程，接收智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。第五步，智能手機(jī)同步機(jī)頂盒用戶信息以及用戶的歷史記錄到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

2）智能手機(jī)與云服務(wù)器建立連接

當(dāng)智能手機(jī)連接不上機(jī)頂盒時(shí)，智能手機(jī)可以通過GPRS和Wi-Fi遠(yuǎn)程連接云服務(wù)器來查看智能穿戴式設(shè)備測(cè)量的生理數(shù)據(jù)。用戶可以查看自身和家人的生理健康狀況，隨時(shí)掌握健康信息。用戶首次使用健康家庭手機(jī)應(yīng)用時(shí)不能直接與云端端服器連接，必須與智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒連接后才能使用遠(yuǎn)程服務(wù)功能。原因是智能手機(jī)必須從智能網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒獲取機(jī)頂盒唯一ID編號(hào)并保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，之后智能手機(jī)才能通過機(jī)頂盒ID編號(hào)來遠(yuǎn)程訪問云服務(wù)器來獲取家庭成員的測(cè)量記錄。

4、總體分析

本論文的家庭健康系統(tǒng)是一種基于藍(lán)牙通信技術(shù)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。用戶通過它來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的身體健康狀況，達(dá)到健康生活的目的。家庭健康系統(tǒng)要真正的上線投入使用，還需進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。系統(tǒng)傳感器采集生理數(shù)據(jù)單一，只現(xiàn)實(shí)了體重、身高、體溫生理參數(shù)的采集。需要加入多種傳感器，全面采集用戶的生理參數(shù)，以便于醫(yī)院分析和治療。家庭健康系統(tǒng)中云服務(wù)器穩(wěn)定性測(cè)試。在實(shí)際使用中，需要保證服務(wù)器24小時(shí)穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)。這就需要對(duì)服務(wù)器基于不同環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，以發(fā)現(xiàn)其性能漏洞。平臺(tái)開發(fā)技術(shù)還不成熟，未能廣泛的普及使用。但隨著技術(shù)和工具的不斷更新，平臺(tái)開發(fā)技術(shù)必定會(huì)逐步完善。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)與構(gòu)思智慧家庭健康系統(tǒng)，利用多種傳感器設(shè)備采集用戶健康指標(biāo)，通過手機(jī)服務(wù)平臺(tái)來接收、處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器存儲(chǔ)。該系統(tǒng)能對(duì)收集到的體檢指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行解決和加工，使用戶能夠了解包括其家屬的個(gè)人健康情況分析數(shù)據(jù)，同時(shí)醫(yī)務(wù)人員也可以依據(jù)這些分析數(shù)據(jù)來對(duì)居民進(jìn)行更加精確的治療措施。該服務(wù)平臺(tái)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口便于為其它第三方平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)支持從第三方系統(tǒng)接口處進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取，起到了數(shù)據(jù)共享作用。

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項(xiàng)目名稱：基于大數(shù)據(jù)+AI的智慧家庭健康儀研究與設(shè)計(jì)（編號(hào)：S202010378141）

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