喬英霞,高天雷,劉照陽(yáng) ,單珂

(1.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山東 濟(jì)南 250200；2. 山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心)，山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

基于云平臺(tái)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用

喬英霞1,高天雷2,劉照陽(yáng)2,單珂2

(1.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山東 濟(jì)南 250200；2. 山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心)，山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人體體征參數(shù)的檢測(cè)、監(jiān)護(hù)和健康干預(yù)，為慢性病防治和不良生活習(xí)慣糾正提供了積極有效的解決途徑。系統(tǒng)以“智能感知終端+數(shù)據(jù)處理中轉(zhuǎn)站+健康云平臺(tái)+多模態(tài)應(yīng)用終端”為架構(gòu)，基于云計(jì)算和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)處理前端(含健康監(jiān)測(cè)傳感器集群陣列、數(shù)據(jù)處理中轉(zhuǎn)站)、云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)單元和客戶應(yīng)用終端三個(gè)部分。通過(guò)監(jiān)測(cè)血壓、血氧、體溫、心電、血常規(guī)、尿常規(guī)等體征參數(shù)，運(yùn)用云平臺(tái)成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的云端數(shù)據(jù)分析算法，完成數(shù)據(jù)的分析計(jì)算、異地存儲(chǔ)、同步顯示、多元分發(fā)和遠(yuǎn)程推送功能。該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)參數(shù)多、精度高，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、處理和展示，有助于建立健康監(jiān)測(cè)新模式。

云平臺(tái)；傳感器；健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

隨著生活水平不斷提高,人們對(duì)自身的健康狀況更加重視，科技的迅猛發(fā)展也為人體健康監(jiān)測(cè)提供了諸多切實(shí)有效的解決方案。美國(guó)最早將智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備應(yīng)用在航天和軍事領(lǐng)域，用于監(jiān)測(cè)宇航員生理參數(shù)及戰(zhàn)場(chǎng)傷病員體征狀況。目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)醫(yī)療技術(shù)快速發(fā)展，大量監(jiān)護(hù)類儀器、穿戴式裝備以及消費(fèi)電子產(chǎn)品正進(jìn)入人們的視野。本文運(yùn)用云計(jì)算和傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精確、可遠(yuǎn)程操控的人體智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),有助于建立健康監(jiān)測(cè)新模式。

本文設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用云平臺(tái)成熟的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新的云端數(shù)據(jù)分析算法[1]，實(shí)現(xiàn)人體生理指標(biāo)數(shù)據(jù)分析與挖掘、用戶異常檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警、階段數(shù)據(jù)健康趨勢(shì)分析以及潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而對(duì)人們的生活習(xí)慣進(jìn)行健康干預(yù)，并完成數(shù)據(jù)的異地存儲(chǔ)、同步顯示、多元分發(fā)和遠(yuǎn)程推送等功能。這些數(shù)據(jù)在云端動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和共享，解決了人體生理指標(biāo)檢測(cè)的時(shí)間和空間限制，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的不足[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理前端(含健康監(jiān)測(cè)傳感器集群陣列、數(shù)據(jù)處理中轉(zhuǎn)站)、云平臺(tái)數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)單元和客戶應(yīng)用終端三部分構(gòu)成，是一套應(yīng)用于公共衛(wèi)生服務(wù)、醫(yī)療救助服務(wù)、藥物供應(yīng)服務(wù)以及醫(yī)療保險(xiǎn)服務(wù)的生態(tài)化智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其服務(wù)對(duì)象是健康人群、慢性病患者以及健康促進(jìn)團(tuán)體等。其中，數(shù)據(jù)處理前端采用MEMS傳感器、生物傳感器、環(huán)境傳感器實(shí)現(xiàn)身高、體重、血壓、血氧、體溫、心電、血常規(guī)、尿常規(guī)等生理指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集，并實(shí)時(shí)采集用戶所處環(huán)境的氣體、溫濕度、氣壓、環(huán)境光、顆粒物等信息，通過(guò)云端大數(shù)據(jù)分析人體所處環(huán)境對(duì)人體生理指標(biāo)的影響。所有數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理中轉(zhuǎn)站上傳至云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算處理后，加密數(shù)據(jù)反饋給基于Android平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理中轉(zhuǎn)站，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析并顯示到交互式觸摸液晶屏上，將測(cè)量的體征指標(biāo)展示給用戶。另一方面，云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，其他得到授權(quán)的用戶(用戶及其指定親屬、家庭醫(yī)生、營(yíng)養(yǎng)師、醫(yī)院、養(yǎng)老院、健康咨詢機(jī)構(gòu)等)可以通過(guò)手機(jī)、臺(tái)式機(jī)、平板電腦、個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)用戶檢測(cè)信息的訪問(wèn)。通過(guò)構(gòu)建一體式生態(tài)化系統(tǒng)，提供簡(jiǎn)易的數(shù)據(jù)采集、豐富的參數(shù)展示、精確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和友好的人機(jī)交互服務(wù)[3-8]。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2.1 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、主控制板和外設(shè)三部分組成。

(1)主控制板

主控制板采用的核心芯片為RK3188，該芯片為四核ARM Cortex-A9架構(gòu)，搭載Android4.4系統(tǒng)，外圍電路圍繞系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了不同的外設(shè)及其接口電路，如圖2所示。主控模塊通過(guò)串口UART、USB、藍(lán)牙以及紅外模塊等不同的傳輸方式與采集終端交互，實(shí)現(xiàn)人體生理指標(biāo)(心電、體溫、血氧、血壓、生化、尿液、血脂、血紅蛋白等)數(shù)據(jù)測(cè)量指令的發(fā)送并實(shí)時(shí)接收具體的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)[9]。同時(shí)主控模塊通過(guò)GPIO通用輸入/輸出接口實(shí)現(xiàn)與顯示屏、觸摸屏、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等外設(shè)的連接。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 Overall architecture for the system

圖2 主控模塊示意圖Fig.2 Diagram of the main control module

(2)數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端根據(jù)不同生理指標(biāo)測(cè)量需求選用不同的芯片控制信號(hào)的采集。心電終端選用8路24位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1298，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸?shù)街骺匦酒Ｑ踅K端使用光電探頭采集手指的一個(gè)完整脈搏波中的光強(qiáng)度變化量，信號(hào)經(jīng)處理后傳送到主控模塊。體溫采集利用熱電偶將溫度差轉(zhuǎn)化為電壓差，再采用ADC0908芯片進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換傳送到主控模塊。血壓采集終端為臂筒式采集方式，選用可編程系統(tǒng)控制器CY8C27443對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)紅外模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街靼?。生化、尿液以及血脂、血紅蛋白等生理參數(shù)使用試紙?zhí)崛?，通過(guò)藍(lán)牙、USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。采集模塊原理如圖3所示。

(3)外設(shè)

外設(shè)主要包括顯示屏、觸摸屏、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等輸入輸出設(shè)備，用于數(shù)據(jù)顯示與人機(jī)交互。

2.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)登錄、指標(biāo)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)反饋幾部分，其流程如圖4所示。

(1)系統(tǒng)登錄

設(shè)備上電運(yùn)行開(kāi)機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化并等待信息輸入，用戶使用身份證錄入個(gè)人信息(名字、年齡、性別)登錄系統(tǒng)。

(2)指標(biāo)采集

本地用戶信息錄入完畢后，開(kāi)始進(jìn)行身體各項(xiàng)指標(biāo)采集，使用體征傳感器(血壓、心電、血氧等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)解析，得出用戶身體的各項(xiàng)指標(biāo)。

(3)本地?cái)?shù)據(jù)上傳

.本地設(shè)備通過(guò)socket將測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)的服務(wù)器中，服務(wù)器通過(guò)socket server云平臺(tái)把數(shù)據(jù)存放到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過(guò)數(shù)據(jù)的發(fā)生確認(rèn)確保提交數(shù)據(jù)的正確性，并最終存儲(chǔ)在云平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(4)云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理

云平臺(tái)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶的有效標(biāo)志信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，形成定制化健康信息和疾病可能性的預(yù)測(cè)。同時(shí)，Web service提供app和Web訪問(wèn)兩種功能[10]，Web service通過(guò)tomcat提供服務(wù)，將定制化健康信息上傳至app或Web。

(5)數(shù)據(jù)反饋

用戶可通過(guò)app或Web隨時(shí)了解自己的生理特征信息，其家人也可以在任何位置，任何時(shí)間查看用戶相關(guān)信息。蘋果手機(jī)系統(tǒng)iOS和Android安卓系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)Web service相應(yīng)的功能接口傳輸json獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)app展現(xiàn)給用戶。Web service開(kāi)發(fā)由myeclipse+tomcat+struts+hibernate+mysql+json+jquery完成，保證了訪問(wèn)的并發(fā)性和實(shí)時(shí)性，提供7天24小時(shí)不間斷的服務(wù)，通過(guò)jpush服務(wù)器完成對(duì)iOS和Android的推送，給用戶提供app服務(wù)的同時(shí)免費(fèi)給用戶推送一些醫(yī)療健康知識(shí)[10]。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)分析

基于云平臺(tái)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)感知終端操作便捷，人機(jī)交互性好，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，并且利用云平臺(tái)將用戶的生理體征數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與深度挖掘，云端同時(shí)能夠長(zhǎng)期存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，并能對(duì)生理體征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，分析用戶身體成分變化趨勢(shì)，生成生理體征數(shù)據(jù)與時(shí)間的曲線圖，并提供適當(dāng)?shù)娘嬍辰ㄗh和運(yùn)動(dòng)建議。終端界面如圖5所示。

圖5 終端設(shè)備界面圖Fig.5 Terminal device interface diagram

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)的性能，我們進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性的驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)其得出的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了本系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。表1(為保護(hù)隱私而隱去公司真實(shí)名稱)為本系統(tǒng)與當(dāng)前6家主流醫(yī)療設(shè)備公司所研發(fā)系統(tǒng)在測(cè)試指標(biāo)、云平臺(tái)服務(wù)能力方面的對(duì)比。

表1 本文所述檢測(cè)儀與當(dāng)前主流產(chǎn)品的對(duì)比Table 1 Performance comparison between detector mentioned here and the current mainstream products

注：√表示系統(tǒng)有該功能；×表示無(wú)此功能。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集用戶的血壓、血氧、體溫、心電等參數(shù)，通過(guò)云平臺(tái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行分析評(píng)估、追蹤管理，并將數(shù)據(jù)分發(fā)給用戶及其指定個(gè)人、群體或機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶自身健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，取得了較好的醫(yī)療效果。下一步，我們將在本文研究的基礎(chǔ)上，利用云平臺(tái)更加先進(jìn)的科研成果對(duì)系統(tǒng)加以完善，使用戶獲得更加完美的健康監(jiān)測(cè)體驗(yàn)和醫(yī)療服務(wù)。

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Cloudplatformbasedintelligenthealthmonitoringsystemanditsapplication

QIAOYing-xia1,GAOTian-lei2,LIUZhao-yang2,SHANKe2

(1.DepartmentofComputerScienceandTechnology,ShandongCollegeofElectronicTechnology,Jinan250200,China; 2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofComputerNetworks,ShandongComputerScienceCenter(NationalSupercomputerCenterinJinan),Jinan250014,China)

∶A kind of intelligent health monitoring system based on cloud platform was put forward, which could realize the human body sign parameter detecting, monitoring and health intervention, so it provided a positive and effective way to prevent chronic disease and correct bad habits. The system was based on "intelligent perception terminal + data processing station + health cloud platform + multimodal application terminal" architecture, and was designed by adopting cloud computing and sensor technology, which consisted of 3 sections, such as data processing front-ends (including health monitoring sensor cluster arrays and data processing stations), data analysis and storage cloud platform, and application terminals. The blood pressure, blood oxygen, temperature, ECG, blood routine, urine routine, and other signs of parameters could be monitored by the system, and further be analyzed by high-speed data transmission techniques with mature cloud platform, powerful capacities for data computing and real-time dynamic analysis algorithm. Finally, functions such as data analysis, calculation, remote storage, synchronous display, multidistribution and remote push could be achieved. The system has various monitoring parameters and high accuracy, which can realize the remote data transmission, processing and display and contribute to the establishment of a new health monitoring model.

∶cloud platform; sensor; health monitoring

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.06.016

2017-07-11

喬英霞(1965—)，女，碩士，副教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。E-mail: gaotl@sdas.org

TP393

A

1002-4026(2017)06-0099-06