基于云平臺的智能健康監測系統及應用

喬英霞,高天雷,劉照陽 ,單珂

(1.山東電子職業技術學院計算機科學與技術系，山東 濟南 250200；2. 山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東省計算機網絡重點實驗室，山東 濟南 250014)

基于云平臺的智能健康監測系統及應用

喬英霞1,高天雷2,劉照陽2,單珂2

(1.山東電子職業技術學院計算機科學與技術系，山東 濟南 250200；2. 山東省計算中心(國家超級計算濟南中心)，山東省計算機網絡重點實驗室，山東 濟南 250014)

設計了一種基于云平臺的智能健康監測系統，實現人體體征參數的檢測、監護和健康干預，為慢性病防治和不良生活習慣糾正提供了積極有效的解決途徑。系統以“智能感知終端+數據處理中轉站+健康云平臺+多模態應用終端”為架構，基于云計算和傳感器技術，設計了數據處理前端(含健康監測傳感器集群陣列、數據處理中轉站)、云平臺數據分析存儲單元和客戶應用終端三個部分。通過監測血壓、血氧、體溫、心電、血常規、尿常規等體征參數，運用云平臺成熟的數據傳輸技術、強大的數據計算能力以及實時動態更新的云端數據分析算法，完成數據的分析計算、異地存儲、同步顯示、多元分發和遠程推送功能。該系統監測參數多、精度高，可實現數據的遠程傳輸、處理和展示，有助于建立健康監測新模式。

云平臺；傳感器；健康監測系統

隨著生活水平不斷提高,人們對自身的健康狀況更加重視，科技的迅猛發展也為人體健康監測提供了諸多切實有效的解決方案。美國最早將智能醫療監測設備應用在航天和軍事領域，用于監測宇航員生理參數及戰場傷病員體征狀況。目前，國內移動醫療技術快速發展，大量監護類儀器、穿戴式裝備以及消費電子產品正進入人們的視野。本文運用云計算和傳感器技術，設計了一種操作簡單、測量精確、可遠程操控的人體智能健康監測系統,有助于建立健康監測新模式。

本文設計的基于云平臺的智能健康監測系統，運用云平臺成熟的數據傳輸技術、強大的數據計算能力以及實時動態更新的云端數據分析算法[1]，實現人體生理指標數據分析與挖掘、用戶異常檢測數據報警、階段數據健康趨勢分析以及潛在風險評估，從而對人們的生活習慣進行健康干預，并完成數據的異地存儲、同步顯示、多元分發和遠程推送等功能。這些數據在云端動態存儲和共享，解決了人體生理指標檢測的時間和空間限制，有效彌補了現有健康監測系統的不足[2]。

1 系統總體設計

本系統主要由數據處理前端(含健康監測傳感器集群陣列、數據處理中轉站)、云平臺數據分析存儲單元和客戶應用終端三部分構成，是一套應用于公共衛生服務、醫療救助服務、藥物供應服務以及醫療保險服務的生態化智能健康監測系統，其服務對象是健康人群、慢性病患者以及健康促進團體等。其中，數據處理前端采用MEMS傳感器、生物傳感器、環境傳感器實現身高、體重、血壓、血氧、體溫、心電、血常規、尿常規等生理指標數據的采集，并實時采集用戶所處環境的氣體、溫濕度、氣壓、環境光、顆粒物等信息，通過云端大數據分析人體所處環境對人體生理指標的影響。所有數據通過數據處理中轉站上傳至云計算平臺進行計算處理后，加密數據反饋給基于Android平臺的數據處理中轉站，進行數據解析并顯示到交互式觸摸液晶屏上，將測量的體征指標展示給用戶。另一方面，云平臺進行數據分發，其他得到授權的用戶(用戶及其指定親屬、家庭醫生、營養師、醫院、養老院、健康咨詢機構等)可以通過手機、臺式機、平板電腦、個人計算機實現用戶檢測信息的訪問。通過構建一體式生態化系統，提供簡易的數據采集、豐富的參數展示、精確的風險評估和友好的人機交互服務[3-8]。系統整體架構如圖1所示。

2 系統的實現過程

2.1 硬件系統的設計

硬件系統由數據采集終端、主控制板和外設三部分組成。

(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，搭載Android4.4系統，外圍電路圍繞系統功能設計了不同的外設及其接口電路，如圖2所示。主控模塊通過串口UART、USB、藍牙以及紅外模塊等不同的傳輸方式與采集終端交互，實現人體生理指標(心電、體溫、血氧、血壓、生化、尿液、血脂、血紅蛋白等)數據測量指令的發送并實時接收具體的測量數據，測量數據通過網絡實時上傳至云平臺[9]。同時主控模塊通過GPIO通用輸入/輸出接口實現與顯示屏、觸摸屏、麥克風、揚聲器等外設的連接。

圖1 系統整體架構圖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)數據采集終端

數據采集終端根據不同生理指標測量需求選用不同的芯片控制信號的采集。心電終端選用8路24位精度的模數轉換器ADS1298，將采集到的數據通過串口傳輸到主控芯片。血氧終端使用光電探頭采集手指的一個完整脈搏波中的光強度變化量，信號經處理后傳送到主控模塊。體溫采集利用熱電偶將溫度差轉化為電壓差，再采用ADC0908芯片進行信號轉換傳送到主控模塊。血壓采集終端為臂筒式采集方式，選用可編程系統控制器CY8C27443對采集信號進行處理，通過紅外模塊將數據傳輸到主板。生化、尿液以及血脂、血紅蛋白等生理參數使用試紙提取，通過藍牙、USB接口進行數據傳送。采集模塊原理如圖3所示。

(3)外設

外設主要包括顯示屏、觸摸屏、麥克風、揚聲器等輸入輸出設備，用于數據顯示與人機交互。

2.2 軟件系統的設計

軟件系統的主要分系統登錄、指標采集、數據上傳、數據處理及數據反饋幾部分，其流程如圖4所示。

(1)系統登錄

設備上電運行開機，系統進行初始化并等待信息輸入，用戶使用身份證錄入個人信息(名字、年齡、性別)登錄系統。

(2)指標采集

本地用戶信息錄入完畢后，開始進行身體各項指標采集，使用體征傳感器(血壓、心電、血氧等)進行數據采集，數據解析，得出用戶身體的各項指標。

(3)本地數據上傳

.本地設備通過socket將測量的數據發送到云平臺的服務器中，服務器通過socket server云平臺把數據存放到云平臺的數據庫中，通過數據的發生確認確保提交數據的正確性，并最終存儲在云平臺的數據庫中。

(4)云平臺數據處理

云平臺會對數據庫中用戶的有效標志信息進行數據分析，形成定制化健康信息和疾病可能性的預測。同時，Web service提供app和Web訪問兩種功能[10]，Web service通過tomcat提供服務，將定制化健康信息上傳至app或Web。

(5)數據反饋

用戶可通過app或Web隨時了解自己的生理特征信息，其家人也可以在任何位置，任何時間查看用戶相關信息。蘋果手機系統iOS和Android安卓系統通過訪問Web service相應的功能接口傳輸json獲取相應的數據，通過app展現給用戶。Web service開發由myeclipse+tomcat+struts+hibernate+mysql+json+jquery完成，保證了訪問的并發性和實時性，提供7天24小時不間斷的服務，通過jpush服務器完成對iOS和Android的推送，給用戶提供app服務的同時免費給用戶推送一些醫療健康知識[10]。

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

3 系統實現及實驗分析

基于云平臺的智能健康監測系統感知終端操作便捷，人機交互性好，數據采集準確，并且利用云平臺將用戶的生理體征數據進行實時處理與深度挖掘，云端同時能夠長期存儲測試數據，并能對生理體征數據進行分析和挖掘，分析用戶身體成分變化趨勢，生成生理體征數據與時間的曲線圖，并提供適當的飲食建議和運動建議。終端界面如圖5所示。

圖5 終端設備界面圖Fig.5 Terminal device interface diagram

對本文所設計的基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統的性能，我們進行了系統可靠性的驗證，通過對其得出的性能指標進行對比，驗證了本系統檢測數據的準確性。表1(為保護隱私而隱去公司真實名稱)為本系統與當前6家主流醫療設備公司所研發系統在測試指標、云平臺服務能力方面的對比。

表1 本文所述檢測儀與當前主流產品的對比Table 1 Performance comparison between detector mentioned here and the current mainstream products

注：√表示系統有該功能；×表示無此功能。

4 結論

本文所設計的基于云平臺的智能健康監測系統，采集用戶的血壓、血氧、體溫、心電等參數，通過云平臺對采集的數據實時進行分析評估、追蹤管理，并將數據分發給用戶及其指定個人、群體或機構，實現了對用戶自身健康狀況的實時監測和風險預警，取得了較好的醫療效果。下一步，我們將在本文研究的基礎上，利用云平臺更加先進的科研成果對系統加以完善，使用戶獲得更加完美的健康監測體驗和醫療服務。

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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，研究方向為計算機應用。E-mail: gaotl@sdas.org

TP393

A

1002-4026(2017)06-0099-06