龔志鵬 余偉豪 李延平 高秋榮 潘汨 謝斌

摘 要：文章提出了一種低成本的基于網(wǎng)絡(luò)的分布式智慧家庭健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，研究了普通家庭成員依年齡分布對(duì)健康及安全的需求，考察各種相關(guān)傳感器特性，分析了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了及各子系統(tǒng)間可行的數(shù)據(jù)通信方式；充分利用當(dāng)前智能手機(jī)普及程度高，信息處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)具有低成本、高可靠、低功耗特點(diǎn)；系統(tǒng)通過對(duì)多方數(shù)據(jù)融合，能結(jié)合個(gè)體實(shí)際情況作出健康狀態(tài)判斷，提出專業(yè)建議，并在緊急情況下采取應(yīng)急措施。

關(guān)鍵詞：可穿戴設(shè)備；健康管理；居家養(yǎng)老；老齡化

隨著人們生活水平的提高，人們?cè)絹碓疥P(guān)注自身的生活質(zhì)量和健康問題。但都市生活節(jié)奏快，大部分人平時(shí)工作繁忙，對(duì)自己的家庭成員的健康與安全既擔(dān)心牽掛，又無暇顧及；我國正逐步進(jìn)入老年社會(huì)，據(jù)人社部和國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，2016年，我國老年人口為2.16億，到2035年，老年人口將達(dá)4億[1]。可是如今我國還是一個(gè)發(fā)展中國家，養(yǎng)老機(jī)制尚不完善，希望能盡量控制養(yǎng)老成本，加上中國傳統(tǒng)觀念的影響，許多老人更愿意和自己家人在一起，許多地方開始嘗試智能居家養(yǎng)老。人們迫切希望有一種設(shè)備或系統(tǒng)能讓自己及時(shí)了解家庭成員的健康安全問題，以便采取對(duì)應(yīng)措施。得益于智能可穿戴設(shè)備和傳感器技術(shù)的發(fā)展，這種想法逐漸變得現(xiàn)實(shí)。2002年，美國Xybernaut公司發(fā)布了一款名為Poma的穿戴PC，意味著可穿戴式設(shè)備首次進(jìn)入市場(chǎng)[2]。此后各種便攜式可穿戴設(shè)備如智能手表、手環(huán)、智能眼鏡等相繼推向市場(chǎng)。一開始，這些設(shè)備主打時(shí)尚觀念，通過新奇感吸引消費(fèi)者，健康因素在次要位置。隨著越來越多的公司加入，市面上同質(zhì)化產(chǎn)品越來越多，消費(fèi)者的新鮮感消失，自2014年以來，手環(huán)銷量就開始大幅下滑，單純靠主打時(shí)尚概念已經(jīng)不能打動(dòng)消費(fèi)者。然而不能否認(rèn)，各種可穿戴設(shè)備的發(fā)展為智能醫(yī)療健康體系作了必需的技術(shù)積累，而各種可穿戴設(shè)備如智能手環(huán)、手表、鞋墊等都可成為是健康網(wǎng)絡(luò)重要的末端傳感器。一些學(xué)者就這些設(shè)備融入健康醫(yī)療系統(tǒng)做了許多有益的探索3-5]，但都沒形成一個(gè)完整系統(tǒng)，同時(shí)由于工程實(shí)際中空間、成本、功耗等方面的限制，這些想法實(shí)用性不高。為此，本文提出一種低成本的實(shí)用方案。

1 家庭健康與需求分析

一個(gè)普通家庭的組成，可根據(jù)人的成長階段劃分，包括嬰兒、幼兒、學(xué)齡兒童、成年人、老年人，各年齡階段的人群對(duì)健康與安全需求不同。

（l）嬰兒是家里的重點(diǎn)監(jiān)護(hù)對(duì)象，有專門的成年人監(jiān)管或?qū)I(yè)醫(yī)生照料，所以一般不需另外安排特別的監(jiān)測(cè)。

（2）對(duì)于稍大一些的幼兒，有專人看護(hù)，但也可以稍微放手，不需像嬰兒一樣緊盯著。這時(shí)期一般比較活潑好動(dòng)，無辨別能力，主要問題是防止走失和意外傷害，當(dāng)幼兒離開監(jiān)護(hù)人視線，或進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)觸發(fā)報(bào)警，提醒監(jiān)護(hù)人注意。

（3）對(duì)學(xué)齡兒童，開始獨(dú)立自主，有一定獨(dú)處時(shí)光，這時(shí)期由于好奇心強(qiáng)，社會(huì)經(jīng)驗(yàn)不足，比較容易受到意外傷害，容易單獨(dú)誤入危險(xiǎn)區(qū)域，如水塘邊、河道邊、無人的深巷，在意外隋況下應(yīng)及時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

（4）對(duì)于中青年成年人，這類人群一般身體都還算健康，是家庭頂梁柱，生活壓力大，工作負(fù)擔(dān)重，經(jīng)常要在辦公室伏案工作，缺少適當(dāng)活動(dòng)，又抽不出合適的時(shí)間來鍛煉，不知不覺形成久坐不動(dòng)的習(xí)慣。據(jù)調(diào)查研究，久坐對(duì)身體危害很大，長期久坐能引關(guān)節(jié)炎、糖尿病、各類消化道、血管及神經(jīng)疾病，是世界衛(wèi)生組織認(rèn)定的十大致死致病元兇之一，有高達(dá)70%疾病與久坐有關(guān)。因此對(duì)這類人群的當(dāng)務(wù)之急是提醒他們及時(shí)活動(dòng)，適當(dāng)控制能量消耗，補(bǔ)充水分，并制定一個(gè)可行的比較系統(tǒng)健身計(jì)劃，以達(dá)到延緩衰老，減少病患的產(chǎn)生和積累，又能積極投身事業(yè)發(fā)展的目的。

（5）老年人，人進(jìn)入老年期后，身體機(jī)能較弱，抵抗力較差，常有各種病患，許多慢性疾病需要時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；大腦功能退化，神經(jīng)衰弱，記憶衰退，需防止走失；而且體力不濟(jì)，自理能力差，更容易發(fā)生意外，相對(duì)于成年人的久坐，老年人意外跌倒的危害巨大，極易致殘致命。所有我們需要實(shí)時(shí)檢測(cè)老年的多項(xiàng)生理指標(biāo)，檢測(cè)其活動(dòng)軌跡，并實(shí)時(shí)了解其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)可能出現(xiàn)的意外事故及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

依據(jù)對(duì)一個(gè)家庭成員的健康監(jiān)管需求，設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能采用已有設(shè)備，如大量普及的智能手機(jī)，降低成本，便于推廣應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)分布式智慧家庭健康管理系統(tǒng)方案如圖1所示。系統(tǒng)由幼兒看護(hù)、兒童監(jiān)護(hù)、成年人運(yùn)動(dòng)提醒、老年人監(jiān)護(hù)4個(gè)子系統(tǒng)組成，并配備后臺(tái)服務(wù)器。各子系統(tǒng)用于檢測(cè)看護(hù)對(duì)象的狀態(tài)，并向后臺(tái)服務(wù)器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，考慮到數(shù)據(jù)長度較短，以及維護(hù)運(yùn)行的方便，數(shù)據(jù)的發(fā)送采用了短信形式。

2.1分布式子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1幼兒看護(hù)

幼兒看護(hù)主要是防止走失，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）測(cè)距的電子牽繩。系統(tǒng)中，幼兒佩戴基于低功耗藍(lán)牙芯片的DA14580的藍(lán)牙主設(shè)備，監(jiān)護(hù)人利用智能手機(jī)充當(dāng)藍(lán)牙從設(shè)備。當(dāng)幼兒與看護(hù)人距離超高設(shè)定值，如5m時(shí)，報(bào)警器立即響起，提醒監(jiān)護(hù)人注意。

2.1.2兒童監(jiān)護(hù)

防止兒童誤入危險(xiǎn)區(qū)域，主要方法是進(jìn)行定位，并設(shè)置電子圍欄，產(chǎn)品依智能手表形式設(shè)計(jì)，為提高可靠性，采用GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，并結(jié)合基站和WiFi定位。智能手表將定位信息發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器，由后臺(tái)服務(wù)器依據(jù)設(shè)定的電子圍欄判定危險(xiǎn)級(jí)別?？紤]到學(xué)生實(shí)際情況，為降低功耗，可照作息時(shí)間設(shè)置只在上學(xué)路上進(jìn)行定位監(jiān)護(hù)。

2.1.3成年人運(yùn)動(dòng)提醒

成年人主要是需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)提醒，并及時(shí)補(bǔ)充水分。因?yàn)榻^大部分成年人都配備智能手機(jī)，手機(jī)集成了所需的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面的各種傳感器，所以并不需特別的其他硬件支持，只需開發(fā)專門的APP程序即可，用于檢測(cè)每天運(yùn)動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行久坐提醒。

2.1.4老年人監(jiān)護(hù)

老年人是整個(gè)家庭管理系統(tǒng)的難點(diǎn)，需要檢測(cè)多項(xiàng)指標(biāo)，考慮到檢測(cè)位置、傳感器安裝控件、功耗、通信與成本等因素，本系統(tǒng)主要檢測(cè)了心率、血壓、血氧、位置以及運(yùn)動(dòng)姿態(tài)等數(shù)據(jù)。老年人監(jiān)護(hù)子系統(tǒng)由智能手環(huán)、智能鞋與智能手機(jī)構(gòu)成。手環(huán)主要檢測(cè)心率；智能鞋，智能手機(jī)中的運(yùn)動(dòng)傳感器用于檢測(cè)老人的狀態(tài)，有利于提高判定摔倒?fàn)顟B(tài)的準(zhǔn)確性。血壓與血樣檢測(cè)一般在家每天測(cè)一次即可，不需做成可穿戴設(shè)備。手環(huán)、智能鞋、手機(jī)3個(gè)設(shè)備之間采用藍(lán)牙通信，由智能手機(jī)收集數(shù)據(jù)并作出初步判定后，將結(jié)果以短信形式發(fā)往后臺(tái)服務(wù)器。

2.2后臺(tái)服務(wù)設(shè)計(jì)

后臺(tái)服務(wù)器采用普通PC機(jī)，考慮到傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包小，數(shù)據(jù)量少，各子系統(tǒng)與后臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸采用短信通知方式，使用第三方短信平臺(tái)與其他子系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于VC的后端服務(wù)程序，通過串口與短信平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。后臺(tái)服務(wù)器集中顯示處理各子系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并及時(shí)向系統(tǒng)負(fù)責(zé)人推送重要信息。為了進(jìn)一步了解家庭成員的身體狀態(tài)，為制定健身計(jì)劃或?yàn)獒t(yī)療診斷作出參考，系統(tǒng)建立了家庭健康檔案，將健康監(jiān)視數(shù)據(jù)存入了本地?cái)?shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫采用Access，使用ODBC驅(qū)動(dòng)，程序運(yùn)行界面如圖2所示。當(dāng)在列表中選擇家庭成員時(shí)，立刻顯示最新相關(guān)數(shù)據(jù)如心率、姿態(tài)等，并更新地圖位置。如有緊急情況，則狀態(tài)欄會(huì)立刻顯示異常情況，這時(shí)后臺(tái)人員可以立刻采取救護(hù)措施，如果是成人，則給出的數(shù)據(jù)是運(yùn)動(dòng)情況、久坐時(shí)間、能量消耗，并給出健康指導(dǎo)。

3結(jié)語

本文研究了當(dāng)前居家養(yǎng)老中所面對(duì)的主要問題，分析了各年齡段對(duì)健康安全的需求，充分利用當(dāng)前成熟的技術(shù)手段和現(xiàn)有設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種低成本、易實(shí)現(xiàn)的分布式智慧家庭健康管理系統(tǒng)，具有較好的實(shí)用性和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

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