基于ZigBee的個人健康信息管理與隱私保護系統設計

陸 鵬，葛嵩韜，吳 響, 張 昊

(1.徐州市傳染病醫院，江蘇 徐州 221004; 2.徐州醫科大學 醫學信息與工程學院， 江蘇 徐州 221000;3.徐州市口腔醫院 信息科，江蘇 徐州 221002)

0 引言

目前，公民的健康管理意識在不斷增強，對疾病預防和健康管理的需求持續上升[1]。針對這一情況，國內多所體檢中心和健康網站，紛紛推出了健康風險管理服務。然而，多數體檢機構的主要功能依然停留在健康檢查與體檢數據采集上，無法為人們提供有效的風險評估和長期有效的健康規劃，也無法針對用戶進一步提高個體健康管理水平[2]。為解決個人日常健康管理問題，實現對個人健康數據的全面監測和管理，現已有多家公司提供了解決方案：如飛利浦公司針對心血管慢病管理推出的“院后管理系統”[3]，該系統通過便攜式移動健康和醫療設備監控病人在家里的血壓、心律等生理體征，實現家庭與醫院的互聯，幫助用戶主動監控自己的健康狀況；健康小屋、歐樂康等平臺也相繼推出了關于健康管理服務的解決方案[4]，但此類方案在支持健康管理功能時忽略了對用戶個人數據的隱私保護，在提供健康服務的同時未能保障個體健康數據的安全。

考慮用戶對健康管理系統數據的實時性、可用性及安全性需求，本文設計了一種基于ZigBee的個人日常健康信息管理系統，該系統通過智能可穿戴設備采集人體健康數據，并及時上傳云平臺進行分析處理，實現對個人日常健康數據的全程跟蹤處理和安全分析計算，為疾病預防和個人數據隱私保護提供解決思路。

1 系統整體設計方案

1.1 系統設計原理

個人健康信息的監測、獲取、分析及處理是衡量個人健康狀態最直接的方法，也是有效預防疾病的重要措施。該系統針對個人健康信息處理的全過程設計了數據采集終端、數據傳輸和健康管理平臺3個部分。首先，利用數據采集終端設備采集人體體征數據；其次通過數據傳輸技術將采集的數據上傳平臺；最后在健康管理平臺中進行數據存儲和處理，將數據分析結果及時反饋給用戶，實現對人體各項體征數據的實時監測和分析，有效預防疾病發生。

1.2 ZigBee技術簡介

ZigBee是采用DSSS技術，適用于短距離內各種電子設備之間進行數據傳輸的無線通信技術[5]。與WiFi技術相比，ZigBee的傳輸損耗低，電池續航時間久，且ZigBee協議無需專利費，大大降低了研發所需成本。ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成，通過網絡協調器自動建立網絡節點，采用載波偵聽/沖突檢測方式進行信道接入，具有很強的兼容性。為實現數據的可靠傳遞，ZigBee提供安全握手協議，能夠實現數據完整性檢查和鑒權功能[6]。綜上所述，與WiFi技術相比，ZigBee技術具有成本低、功耗低、時延短、兼容性強、數據傳輸可靠等特點，更適用于本文所設計的個人日常健康信息管理系統。

1.3 系統設計目標分析

為滿足基于ZigBee的個人健康信息管理隱私保護系統的軟硬件測試需求，系統設計需實現以下幾點目標：

1)實時性：疾病具有潛伏性，不易被發現，因此，該系統設計過程中，采用無線網絡傳輸技術將采集到的體征數據實時上傳，形成數據報告，平臺對報告進行匯總分析，實現對疾病潛伏期的有效預測。

2)實用性：考慮到個體健康數據采集的難 度，該系統選擇便于攜帶的智能終端設備采集個體日常健康數據，數據采集完成后使用ZigBee無線通信技術進行數據傳輸，無需有線連接，能夠在不妨礙個人日常生活的前提下實現簡單、方便、快捷地完成數據采集與上傳工作，具有較強的實用性。

3)安全性：為保障數據上傳及存儲的安全性，采用具有較強安全性的ZigBee通信協議，在數據處理過程中使用RSA算法進行數據加密處理，實現對個體健康數據的全路徑覆蓋加密。

1.4 系統實現功能分析

為充分利用有限資源，提供更全面有效地健康管理服務，系統設計需實現以下功能：

1)實時采集、跟蹤用戶個體健康數據信息；

2)能夠以家庭為單位對家庭成員的健康情況進行全面監測、分析、評估和管理，有效提高家庭健康質量，降低患病風險。

3)以個人或家庭為單位定期自動生成體檢報告，并根據體檢結果進行在線問診，提供個性化健康指導。

1.5 系統模塊化設計

如圖1所示，系統按照模塊化、層次化的設計原則，使用面向對象的設計方法，設計一種基于ZigBee的個人日常健康信息管理與隱私保護系統，該系統主要包括數據采集終端模塊、數據傳輸模塊以及數據處理分析模塊，各模塊簡介如下：

1)數據采集終端模塊：數據采集終端模塊通過智能穿戴設備借助多種傳感器采集人體各項重要指標，主要包括心率、體溫、血壓、心電圖等，同時設備有OLED顯示屏及GPS定位功能。

2)數據傳輸模塊：數據傳輸模塊采用ZigBee無線網上協議，建立多個網絡節點及接口方式，使用CC2530芯片為網絡處理器，短時間內完成數據上傳。

3)數據處理分析模塊：數據處理分析在健康管理平臺中進行，該平臺使用分布式異構存儲技術管理健康數據，使用RSA加密算法保護健康數據中的敏感信息，并通過解密算法幫助用戶了解自身健康狀況。

圖1 系統設計思路

2 系統硬件設計

基于ZigBee的個人健康信息管理及隱私保護系統主要由數據采集終端模塊、數據傳輸模塊和數據處理分析模塊組成。數據采集終端模塊主要負責控制終端與設備中的各類傳感器進行數據采集；數據傳輸模塊通過ZigBee網絡節點及網絡處理器將數據傳入健康信息隱私保護平臺；數據處理分析模塊負責處理健康信息，并反饋分析結果。系統總體硬件架構如圖2所示。

圖2 系統總體硬件架構圖

2.1 數據采集終端

數據采集終端模塊包括心率傳感器、體溫傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器等，傳感器型號、工作電壓及優點如表1所示。

表1 傳感器信息表

下面將對本設備中所使用的各類傳感器進行具體介紹。

常用的心率傳感器品牌主要有AMS、天易合芯、ADI、Waveshare以及XYD，本文設計的數據采集終端設備使用Waveshare中的MAX30100，MAX30100是一種非侵入式集成的脈搏血氧飽和度和心臟速率監視傳感器。它結合了兩個發光二極管、一個光檢測器，用以檢測脈搏血氧飽和度及心臟速率信號，其工作電壓為3～5 V，且MAX30100具有實時而快速的心率測量方式，被廣泛應用于臨床檢測設備中。

體溫傳感器型號為AD8494CRMZ，該傳感器可測量溫度范圍在0～50 ℃，相對于其他體溫傳感器，該傳感器具有精密完整、引腳排列靈活的優點、同時可承受4 kV ESD，并提供高達VS±25 V的過壓保護(OVP)，確保芯片使用的安全性。

心電傳感器的型號為HK_2011/4，是一款四通道傳感器，該傳感器可同時采集撓動脈、頸動脈、心音與心電4個生理信號，傳感器本身具有體積小，使用方便的優點，采樣頻率為200 Hz、頻率響應為1～1 500 Hz、功耗為50 mA。

肌電傳感器的型號為EMG sensor，該傳感器工作電壓為3～9 V，其優勢在于性能穩定、抗干擾能力強，能夠保證采集的肌電信號更加穩定、準確、可靠。

血壓傳感器型號為HGP0700，工作電壓為3～3.5 V，該類傳感器具有多種端口類型，同時該產品體積小、精度高、靈敏度高、穩定性高，保證了設備采集數據的可靠性與準確性。

2.2 數據傳輸

ZigBee網絡主要為自動化控制傳輸數據而建立，例如智能健康終端中的傳感器直接進行數據采集和監控，還可以自動中轉其它網絡節點傳過來的數據資料; 每個ZigBee網絡節點(FFD和RFD)可以支持多達31個的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備中擁有8種不同的接口方式。

數據加密傳輸模塊采用TI公司開發的CC2530芯片作為網絡處理器，該芯片能夠以非常低的功耗及較低的成本建立強大的無線傳感器網絡[8]。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的無線傳輸解決方案，結合了RF收發器，增強型8051CPU，系統內可編程內存8 kB RAM，具有多種運行模式，能夠滿足超低功耗的具體要求，同時CC2530運行模式之間的轉換時間很短，進一步降低能源消耗[9]。ZigBee網絡結構如圖3所示。

圖3 ZigBee網絡結構圖

3 系統軟件設計

基于ZigBee的個人健康信息管理隱私保護系統將數據采集完成后上傳至健康管理平臺進行數據處理分析，下面將詳細介紹健康管理平臺的設計內容：

3.1 健康管理平臺設計原理

健康管理平臺是基于.NET平臺，使用分布式異構存儲技術，采用新型水平層疊模式，對上傳至平臺中的健康數據進行多級存儲、集中管理，提供持續性及個性化健康服務的管理平臺。

分布式存儲技術支持多副本備份機制，能夠自動實現數據重建恢復，規避數據丟失的可能性，在完善數據庫性能的同時提高數據的安全性和可靠性；同時為實現數據的隔離和保護，避免用戶數據被爬取或篡改，本文使用非對稱加密算法RSA對數據進行加密處理，進一步提高用戶健康數據的隱私安全。

3.2 健康管理平臺安全設計

由于個人體征數據上傳到健康管理平臺后可能面臨網絡攻擊、密碼丟失等隱私泄露風險，因此該平臺選擇安全性較好的RSA算法[7]對用戶數據進行加密保護，具體步驟如下：

1)健康管理平臺隨機生成兩個足夠大素數p、q并計算乘積n=pq,φ(n)=(p-1)(q-1)；

2)接著生成一個滿足gcd(e,φ(n))=1的大整數e，用做加密密鑰；

3)在確定解密密鑰d滿足(de)modφ(n)=1,即de=kφ(n)+1,k≥1后，將d秘密保存；

4)將個人健康數據m通過加密算法c=E(m)=memodn加密成密文c，發送給健康管理平臺；

5)在用戶登陸平臺查看健康數據時，系統會通過解密算法m=D(c)=cdmodn，將健康數據呈現給用戶。

整個過程在不傳遞密鑰的情況下，完成個體健康數據加密解密，極大地提高了用戶隱私的安全性。

圖4 健康管理平臺安全結構圖

4 實驗結果及分析

為測試基于ZigBee的個人日常健康信息管理與隱私保護系統的安全性和有效性，本文從驗證系統可靠性和可用性的角度，進行了黑盒測試，接下來，本節將具體介紹測試流程及方法。

4.1 黑盒測試

受測試水平、時間、經驗等條件限制，該系統在測試過程中只采用黑盒測試方法進行功能測試。為確認系統能正常完成數據的處理和分析工作，以及無數據結構和外部數據庫訪問錯誤，在測試前，本文選定了測試方法，測試結果如表2所示。

表2 測試結果

4.2 系統功能驗證

本節具體測試內容為系統操作能否正常運行，運行時讀取代碼是否穩定，得到的結果與現實數據是否在正常誤差范圍內。各模塊的系統測試用例如表3所示。

由表3可知，通過實驗，平臺注冊模塊各功能均可實現。

表3 系統注冊模塊測試用例

由表4可知，實驗結果表明平臺登錄模塊各類登陸失敗情況均有相應反饋信息，達到預期目標。

表4 系統登錄模塊測試用例表

由表5可知，家庭健康模塊中根據輸入起始和結束時間的不同，均可查到規定時間范圍內的健康信息，實驗結果達到預期目標。

表5 家庭健康模塊測試用例表

由表6可知，用戶通過相應操作，平臺均有相應的健康信息或查詢失敗信息反饋，實驗結果達到預期目標。

表6 專家系統模塊測試用例表

由表7可知，用戶通過選擇相應的查詢時間可以查詢到相應的信息記錄，實驗結果達到預期目標。

表7 體檢中心測試用例表

根據表3～7可以看出，本文所設計的健康管理平臺各模塊測試運行結果穩定，按照操作步驟，可以成功登陸平臺，實時查看個人與家人的健康數據以及體檢分析情況，該系統能夠有效提供健康管理服務，實驗結果達到預期目標。

5 結束語

本文設計的基于ZigBee的個人健康信息管理與隱私保護系統是以個體健康數據為基礎，通過量化評估人們的健康狀況與疾病風險，幫助人們綜合認識自身健康狀況，同時為用戶提供定制個性化健康管理措施，糾正不良生活習慣、開展健康教育、樹立正確的健康理念。該系統在提高健康管理服務水平的同時，為保障用戶的數據安全性，在數據采集傳輸和數據處理階段，選擇具有高安全性的ZigBee無線傳輸技術和RSA加密算法，對用戶的隱私數據進行保護。此外，在后期研究中，研究重點為將本系統與醫院信息系統連接，將先進的信息服務技術引入健康管理領域，打通供需雙方的溝通渠道，使用戶有便捷的通道獲得診前、診后的連續信息，便于醫療健康機構、醫務人員和用戶之間進行更加理性的多項互選，并發展長期的健康管理與健康干預活動。