物聯網助力營養工作發展

王 燁，于欣平，賴建強

(中國疾病預防控制中心營養與健康所，北京 100050)

物聯網助力營養工作發展

王 燁，于欣平，賴建強

(中國疾病預防控制中心營養與健康所，北京 100050)

作為多種高新科技跨學科聯合運用的結晶，在國家產業升級和創新驅動發展戰略的引導下，物聯網正在快速融入工作和生活的方方面面，其“萬物互聯”的特性能夠大幅提升營養工作的信息獲取能力，解決營養工作信息獲取“最先一公里”的困局，為精準化營養工作奠定基礎。

物聯網；營養工作

物聯網(Internet of Things，IOT)技術是21世紀信息通信技術(ICT)飛躍發展的重要成果。據估計，2020年全球物聯網設備數量達到240億，是我國“互聯網+”戰略的重要組成部分和“國家重大科技基礎設施建設中長期規劃(2012—2030年)”中的建設重點，標志著萬物互聯的時代正在開啟[1-7]。近年來，物聯網在健康領域的應用發展迅速：無線身體區域網絡(WBANs)是許多附著于人體或衣物內外的傳感器，可以監測身體活動和健康參數[8-10]；米蘭的“未來城市生活實驗室”設計了一種基于物聯網的生活服務，可以促進健康生活方式的形成[11]；而物聯網、大數據、云計算與智慧建筑的結合更可以提供實時的醫療信息反饋[12]。在我國，基于物聯網技術的多種可穿戴智能設備已逐漸融入了大眾的生活，能夠隨時獲取個體的健康相關信息，綜合運用于健康和慢病管理[13-16]。

物聯網作為互聯網的網絡延伸和應用拓展，實現了對物理世界的感知識別、實時控制、精確管理和科學決策，與新時期營養工作的需求不謀而合。如何將物聯網技術與營養工作深度融合，是營養工作信息化、精準化的必要舉措。

1 營養物聯網的基本架構

1.1 建設原則

1.1.1 可擴展性 可擴展性指營養物聯網需要具備能夠擴展(或減少)自身功能的能力。隨著國民對健康的重視和相關技術的發展，各種新設備、新技術都會被不斷引入或退出系統，其節點數目也會產生很大變化。為了保證這些情況下系統的穩定性，在設計時就要求營養物聯網需要具備良好的可擴展性，能夠適應未來網絡、設備及用戶的擴展和變化。

1.1.2 可共享性 可共享性有兩層意思。一是營養物聯網感知層采集到的信息必須具有可重復利用性，應該能夠便捷地應用于各類健康系統或工程中，實現資源的高效利用，意味著各種信息編碼必須要標準化、系統化，不能是各功能組塊“九龍治水”的模式。更進一步的是，根據《健康中國2030規劃綱要》和《關于促進和規范健康醫療大數據應用發展的指導意見》要求，積極響應國家號召，主動與國家有關部門對接，將營養信息作為國民健康信息的重要組成部分，納入居民健康信息統一管理。

1.1.3 安全性和可靠性 安全性和可靠性同樣具有兩層意思。安全性和可靠性是網絡體系的基本要求，尤其是健康行業，對于數據的可靠性要求更為嚴格。另一方面，營養物聯網采集和傳遞了大量個人健康和環境信息，在系統構建之初就需要予以高度重視和考量。

1.2 網絡架構

參考互聯網及農業、衛生等行業經驗[17-20]，根據營養工作的實際需求，營養物聯網可分為四層：感知層，是聯系物理世界和信息世界的紐帶(RFID、傳感器、GPS等)；網絡構建層，將感知到的數據接入互聯網(互聯網、移動互聯網、無線局域網等)；管理服務層，將傳輸來的大規模數據組織分析，以供上層利用(營養云平臺、營養大數據、LIMS等)；綜合應用層，連接到具體用戶，實現萬物聯網的目的(自動化營養監測、精準化營養干預等)(附圖)。

附圖 營養物聯網基本架構設想

2 物聯網各要素與營養工作的深度結合

2.1 感知層

2.1.1 RFID RFID是無線射頻識別技術的簡稱，利用射頻信號通過空間耦合(電磁場等)實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到智能識別的目的。RFID在國外工業界已得到了廣泛運用，國內最廣為人知的引用是第二代身份證。RFID最為重要的功能是為每一個物體打上標簽，使其能夠被自動識別。目前我國已有了基于RFID的社區和老年健康服務的嘗試[14，21]。在營養工作中，無論是對于目標人群個體的身份識別，還是其選擇的食物、飲料和預包裝食品，甚至是餐具、運動器材、物流或交通工具，都能夠通過附著RFID的方式得到自動識別，方能納入整個后續管理系統。

2.1.2 傳感器(傳感網絡) 傳感器的出現至今已有130余年的歷史，分為熱敏元件、光敏元件、力敏元件等很多種類。傳感器本身并不能稱之為物聯網設備，只有加上了通信模塊，具備了通信的傳感器才能成為傳感網絡的節點。事實上，目前所有的環境、健康監測及可穿戴智能設備都是基于一種或多種傳感網絡的應用。傳感網絡能夠極大增強人們對外部事物的感知的能力和準確性，是精準化、科學化營養工作的基礎。

傳感器的聯合運用能夠為營養工作帶來跨越性發展。在體格檢測方面，心率帶、電子血壓計等各種可穿戴/智能設備早已為人所熟知，電子溫度計、氣壓計等也得到了廣泛運用；在膳食調查方面，已出現了基于計算機圖像處理技術的膳食評估技術，能夠直接通過手機拍攝的就餐食物圖片和距離等信息實時自動計算食物的攝入量，其準確率也在逐步提升[22-27]；在身體活動記錄方面，除了智能手環、手表等常規設備外，微軟公司開發了一種集成相機、被動式體溫傳感器、多軸加速度傳感器等一系列傳感設備，用以長時間自動記錄使用者的生活記錄[28-30]。這些技術的聯合運用將有助于將傳統的“被動”抽樣營養調查發展為“主動”的全樣本實時營養監測，大大提升營養工作的時效性。

實驗室檢測是營養工作的基本要素之一。實際上，現代實驗室中各種簡單或復雜的儀器也是大量傳感器的集合體。根據物聯網“萬物互聯”的特性，我們可以把每一臺儀器假設為一個獨立的傳感器，通過恰當的信息通信方式將采集到的數據接入系統，使其真正成為營養物聯網的傳感器節點。

2.1.3 定位系統 定位系統是提供“基于位置的服務”的基礎。全球衛星定位系統(GPS)是世界上最常用的定位系統，借助于A-GPS、蜂窩基站定位、Wifi定位等輔助手段，能夠為使用者快捷、準確地提供位置信息。對于營養工作而言，在定位系統提供的位置信息背后，實際上承載了地理位置、處于該位置的時刻、處于該位置的對象，即“時間、空間、人間”的三間分布要素。利用這些信息，方能在特定的時間因地制宜、因人而異地提供個性化的營養服務

2.1.4 智能設備 隨著技術的發展，平板電腦、智能手機等智能設備迅速普及，使得人們可以隨時隨地地接入互聯網，也是信息化營養工作開展的基礎。目前，已有基于平板電腦的膳食面訪系統已經在工作中得到試劑應用[31-32]，且尚有巨大的開發潛力。

2.2 網絡構建層

2.2.1 互聯網與移動互聯網 2014年我國移動用戶滲透率為94.5%，3G、4G用戶呈上升趨勢[33]。移動通信技術是物聯網時代的基礎，物聯網系統中的信息正是由它傳導。相比于固定化的互聯網，移動互聯網使得感知層的各種設備能夠真正“隨時隨地”地接入網絡。尤其是正在研發推廣的下一代(5G)移動通信技術，針對大規模物聯網設備高效接入的要求，具備了更高鏈接密度時優化的信令控制能力，能夠成為物聯網終端信息傳輸的有效平臺[34]，為今后營養物聯網設備的大規模運用奠定了通信基礎。

2.2.2 無線接入技術 如果說互聯網是物聯網網絡架構中用于大容量數據通信的“主干道”，那么實現“通往家門的小路”的就是各種無線接入技術。我們所熟知的WiFi、藍牙，以及智能設備常用的Zigbee協議等，都是常用的通信方式，營養工作需要監測對象的體格、行為、食物攝入及環境等指標，在涉及多種不同的無線傳感設備的同時，還需確保數據傳輸的安全性和可靠性。上面這些物聯網接入設備各具特色，并沒有哪一種技術能夠“全面優于”其他技術，需要在實踐中根據不同的應用場景需求進行選擇。

2.3 管理服務

2.3.1 營養大數據與云平臺 我國大數據產業發展已具備一定基礎，正在努力實現從“數據大國”向“數據強國”的轉變[35]。大數據的分析有賴于云計算，以及SaaS、PaaS、IaaS等云服務[36]。建立營養云平臺可以有效提高信息收集效率，將人群數據和個體信息進行有機融合。再通過云端應用程序、APP 等直接向用戶提供經過處理的結果性數據[37]。

2.3.2 實驗室信息管理系統 實驗室信息管理系統即LIMS，是通過對樣品檢驗流程、數據分析、報告、實驗室資源等要素的綜合管理，按照標準化實驗室管理規范，建立符合實驗室業務流程的質量體系，實現實驗室信息化管理[38]。為了實現對實驗室質量體系的信息化管控，現代LIMS系統能夠接入各種信息化實驗儀器和針對樣品、環境、實驗流程監控設備，使得各個孤立的儀器成為了營養物聯網的傳感器節點，同時還能夠在服務器和云端進行自動化管理和質量控制，確保了檢驗流程、方法和實驗數據的質量。

2.4 綜合應用層

營養物聯網能夠極大促進監測、干預、指導等各項營養工作。通過物聯網傳感節點提供的大量環境和健康大數據，高效匯總至云端，在經過處理后可以為個人提供個體化營養健康狀況和干預信息。同時，這些信息納入個人健康檔案后，能夠為醫療衛生機構實時提供準確的個體和人群健康信息，有助于開展醫療救治和相關干預活動。此外，營養物聯網的建立也有助于為政府決策提供科學的數據支持，助力相關政策的出臺和“健康中國2030”的實現。

3 相關標準

ISO、IEEE等機構已經逐步建立了物聯網相關標準體系，其中也包括了針對物聯網健康設備的標準。最具有代表性的就是ISO/IEEE 11073 健康信息—醫療/健康設備通信標準系列。該標準系列分為兩部分，針對臨床健康監控的POC(Point-of-care)系列和針對日常健康管理的PHD(Personal health device)個人健康設備系列。其中PHD系列與營養物聯網關系密切，包含了體重、血壓、血糖、體脂、身體活動等方面相關物聯網設備的規范。標準是質量的基礎，在建立營養物聯網的過程中要防止閉門造車，積極采用甚至提出相關標準，確保真個物聯網系統及其信息的質量。

4 結論

目前，我國正在經歷新一輪創新驅動下的技術革命，各種新技術的迭代和應用遠遠超過過往的任何一個時期。另一方面，營養信息化建設是營養學與信息技術的交差學科，所采用的新技術、新思路，對于營養工作人員來說并不熟悉；另一方面，信息工作人員對各種新技術了然于心，卻缺乏必要的營養健康知識。如何加強雙方溝通，甚至于建立兩個領域的互通機制，使得營養工作能夠適應新形勢下社會和國家的需求，是需要在營養工作信息化頂層設計時必須考慮的問題。物聯網作為新一代ICT技術的代表，更是需要做好頂層設計，廣泛開展調研，創新工作模式，明晰技術需求，探索培養健康信息化復合型人才。在具體實踐中，盡管仍有許面臨多挑戰需要解決，但機遇遠遠大于挑戰，營養工作者應該主動加深與信息和互聯網行業間的合作，充分發揮物聯網等先進技術的積極作用，做好頂層設計，使我國的營養工作更上一個臺階。◇

[1]中國信息通信研究院.物聯網白皮書(2011年)[R].中國信息通信研究院，2012：148-152.

[2]中國信息通信研究院.物聯網白皮書(2014年)[R].中國信息通信研究院，2014.

[3]中國信息通信研究院.物聯網白皮書(2016年)[R].中國信息通信研究院，2016.

[4]中國信息通信研究院.互聯網發展趨勢報告(2017年)[R].中國信息通信研究院，2017.

[5]中國信息通信研究院.移動智能終端暨智能硬件白皮書(2016)[R].中國信息通信研究院，2016.

[6]ITU.ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things[R]，2005.

[7]孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯網：概念、架構與關鍵技術研究綜述[J].北京郵電大學學報，2010，33(3)：1-9.

[8]CAVALLARI R，MARTELLI F，ROSINI R，et al.A Survey on Wireless Body Area Networks：Technologies and Design Challenges[J].IEEE Communications Surveys Tutorials，2014，16(3)：1635-1657.

[9]CHEN M，GONZALEZ S，VASILAKOS A，et al.Body Area Networks：A Survey[J].Mobile Networks and Applications，2011，16(2)：171-193.

[10]ALAM M M，HAMIDA E B.Surveying Wearable Human Assistive Technology for Life and Safety Critical Applications：Standards，Challenges and Opportunities[J].Sensors，2014，14(5)：9153-9209.

[11]VICINI S，BELLINI S，ROSI A，et al.Well-Being on the Go：An IoT Vending Machine Service for the Promotion of Healthy Behaviors and Lifestyles[C]//Design，User Experience，and Usability.User Experience in Novel Technological Environments.Springer，Berlin，Heidelberg，2013：594-603.

[12]RATHORE M M，AHMAD A，PAUL A，et al.Real-time Medical Emergency Response System：Exploiting IoT and Big Data for Public Health[J].Journal of Medical Systems，2016，40(12)：283.

[13]任向楠，丁鋼強，彭茂祥，等.大數據與營養健康研究[J].營養學報，2017(1)：5-9.

[14]周光清，吳書裕，薛冰冰，等.基于物聯網的社區健康管理平臺設計與實現[J].醫療衛生裝備，2014(08)：53-56、101.

[15]姚志洪.健康物聯網與健康云[J].中國衛生信息管理雜志，2011(4)：36-41.

[16]王羽，徐淵洪，楊紅等.物聯網技術在患者健康管理中的應用框架[J].中國醫院，2010(8)：2-4.

[17]劉云浩.物聯網導論[M].第3版.北京：科學出版社，2017.

[18]鄭紀業，阮懷軍，封文杰，等.農業物聯網體系結構與應用領域研究進展[J].中國農業科學，2017(4)：657-668.

[19]葛文杰，趙春江.農業物聯網研究與應用現狀及發展對策研究[J].農業機械學報，2014(7)：222-230、277.

[20]俞磊，陸陽，朱曉玲等.物聯網技術在醫療領域的研究進展[J].計算機應用研究，2012(1)：1-7.

[21]金新政，舒占坤，陳先波.老年人健康服務新模式：智能腕帶[J].中國衛生質量管理，2011(2)：89-91.

[22]KONG F，TAN J.DietCam：Automatic dietary assessment with mobile camera phones[J].Pervasive and Mobile Computing，2012，8(1)：147-163.

[23]KONG F，HE H，RAYNOR H A，et al.DietCam：Multi-view regular shape food recognition with a camera phone[J].Pervasive and Mobile Computing，2015(19)：108-121.

[24]HE H，KONG F，TAN J.DietCam：Multiview Food Recognition Using a Multikernel SVM[J].IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics，2016，20(3)：848-855.

[25]OLIVEIRA L，COSTA V，NEVES G，et al.A mobile，lightweight，poll-based food identification system[J].Pattern Recognition，2014，47(5)：1941-1952.

[26]PROBST Y，NGUYEN D T，TRAN M K，et al.Dietary Assessment on a Mobile Phone Using Image Processing and Pattern Recognition Techniques：Algorithm Design and System Prototyping[J].Nutrients，2015，7(8)：6128-6138.

[27]ZHU F，BOSCH M，WOO I，et al.The Use of Mobile Devices in Aiding Dietary Assessment and Evaluation[J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing，2010，4(4)：756-766.

[28]DOHERTY A R，HODGES S E，KING A C，et al.Wearable cameras in health：the state of the art and future possibilities[J].American Journal of Preventive Medicine，2013，44(3)：320-323.

[29]WOODBERRY E，BROWNE G，HODGES S，et al.The use of a wearable camera improves autobiographical memory in patients with Alzheimer's disease[J].Memory(Hove，England)，2015，23(3)：340-349.

[30]MICROSOFT RESEARCH.Sensecam as an aid for autobiographical memory in an amnesic patient and other applications[EB/OL].

[31]許佳章，于微，朱李佳，等.計算機輔助營養調查面訪系統的構建[J].Food and Nutrition in China，2013，19(10)：78-81.

[32]張伋，王惠君，張繼國，等.用于營養調查的計算機輔助訪問調查系統[J].Acta Nutrimenta Sinica，2014(36)(3)：304-307.

[33]中國信息通信研究院.移動互聯網白皮書(2014年)[R].中國信息通信研究院，2014.

[34]IMT-2020(5G)推進組.5G網絡架構設計白皮書[R].中國信息通信研究院，2016.

[35]中國信息通信研究院.大數據白皮書(2016年)[R].中國信息通信研究院，2016.

[36]中國信息通信研究院.云計算白皮書(2014年)[R].中國信息通信研究院，2014.

[37]王燁，于欣平，曹薇，等.“互聯網+營養健康”的設想與應用[J].營養學報，2016(4)：322-325.

[38]畢玉春，蕭亮.LIMS—實驗室管理未來展望[J].現代測量與實驗室管理，2009(4)：31-34.

(責任編輯 李婷婷)

The Internet of Things Contributes to The Development of Nutrition Work

WANG Ye，YU Xin-ping，LAI Jian-qiang
(National Institute of Nutrition and Health，CDC，Beijing 100050，China)

The application of Internet of Things technology in nutrition work，combined with the development of relevant standards，could solve the nutritional information to obtain “the first one mile” dilemma to lay the foundation for the refinement of nutrition work.

Internet of Things(IOT)；nutrition work

王 燁(1986— )，男，碩士，研究實習員，研究方向：營養學、衛生管理。

賴建強(1969— )，男，博士，碩士生導師，研究員，研究方向：營養學。