支持云服務高性價比可穿戴設備的設計研究

聞建強

(滁州職業技術學院 傳媒與設計學院，滁州 安徽 239000)

2012年，谷歌眼鏡[1]的亮相，被稱為“智能可穿戴設備元年”.隨后幾年，各種智能可穿戴設備層出不窮，如耐克的智能運動鞋、蘋果的智能手表、小米的智能手環等.與其他領域的結合應用大為廣泛和深入，而且智能化程度也越來越高.可穿戴設備一般可以定義為可直接整合到用戶的衣服、配件等便攜式設備，提供數據交互功能，并可能給生活和感知帶來巨大影響[2-3].因此，對于可穿戴設備的研究，其意義和價值不言而喻.

主要討論可穿戴設備在醫學領域的應用.得益于快速發展的現代科技，所有的健康問題都有著高性價比且省時的解決方案，可穿戴設備正是一個良好的解決方案[4].如文獻[5]開發出了一個基于代理的醫院預約調度系統，使用移動監控器附于患者身上，基于安卓平臺進行通信，主要針對心電圖.患者在應用程序中注冊后，會為其創建一個特有的個人信息檔案.在查閱醫生檔案后，患者也可以選擇適當的時間向某個醫生提出預約要求.研究表明[6-7]：醫院可以通過將數據存儲在Web數據庫中，實現基于安卓操作系統的患者監護系統.基于安卓的患者監護系統具有便攜、小巧和可移動的特點，并且數據庫中的數據存儲比較簡單[8].對于患者來說，醫療應用程序能夠節省診斷的時間；而醫生則可以通過醫療應用程序，足不出戶地在適合的時間對患者進行診斷和治療.

文獻[9]提出使用藍牙無線傳感器網絡對病人身體狀況進行實時監控.包括身體狀態采集系統、無線通信系統和病人監護中心.但監測的參數較少，沒有加入運動傳感器和定位系統.醫患也無法進行交流溝通.

文獻[10]提出了一種可穿戴設備，通過一個綁定協議使用戶通過物聯網進行醫療保健，將公共醫療設備作為用戶的個人醫療設備來使用.計算引擎設備接收來自多個用戶健康設備的測量結果，并對這些結果進行采集、分析和顯示.其缺點是單向信息交流平臺.而且公共設備的實時性有待考究.

系統模型關注于通過云計算和可穿戴技術，其最大特點是實現患者與醫生之間的對接，有助于對健康狀況的監控和管理，而且提供醫患交流平臺.提出的可穿戴設備嵌入了多種健康測量傳感器，所有的生命統計數據實時發送到云端，經過授權的醫生可以在用戶提出需求后，從云端獲取到這些信息.本文的創新之處在于，通過整合多個廉價實用的傳感器到可穿戴設備中，實現了實時監測人的身體健康狀態，并使用云技術獲得云端互連交流的功能.另外，系統兼容藍牙和安卓，與其他類似系統相比具有較大優勢.

1 提出模型的技術要求

提出的多個不同傳感器組成的可穿戴設備如圖1所示.通過一件外套連接到患者身體，傳感器連接到Arduino電路板，該電路板通過一個無線通信擴展板(Wi-Fi Shield)實現Wi-Fi連接.這些傳感器通過消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport,MQTT)協議[11-12]，將監控到身體屬性的實時讀數發送到應用程序.患者可以從這里訂閱，以便在自己的智能手機中接收到傳感器讀數.這些讀數將被存儲于患者的數據庫中.患者選擇的醫生可以通過該患者的記錄和傳感器讀數，對該患者的健康情況進行監護.在云端適當地設置不同參數數值，并以此為基礎對患者的健康狀況進行監護.大多操作由在后臺運行的應用程序來完成.醫生可以根據對病情的判斷，采取適當的措施.

圖1 整體模型框架

1.1 硬件規格

1.1.1 傳感器介紹

(1)心率傳感器：心率傳感器以光電容積脈搏波描記法的原理為基礎.如果血液體積的變化引起了任何器官中光強度的變化，那么傳感器將檢測到該變化.本文所用心率傳感器是SON7015，該傳感器通常在+5 V(范圍為2.3～6 V)直流穩壓調節下的工作電流為100 mA，功耗小于0.5 mA，同時該傳感器還可被用于檢測某個給定時間的血壓.

(2)呼吸傳感器：呼吸檢測是生理狀態評估的關鍵要素之一.可以提供與心臟、神經和肺部疾病相關的重要信息.本文所用呼吸傳感器是蘇州能斯達公司生產的HX-01，呼吸傳感器的帶寬為0～15 Hz，消耗電流為4 mA，厚度小于0.35 mm，長度不超過60 mm.

(3)應激焦慮傳感器：主要任務是檢測一個人在某時刻是否處于緊張狀態.這一檢測通過對皮膚電反應(Galvanic Skin Response,GSR)進行測量，GSR受不同身體部位的出汗量影響.本文所用的應激焦慮傳感器是CRP-M100，本文將使用在+5 V電壓下電流消耗為5 mA的應激焦慮水平傳感器.

(4)體溫傳感器：該傳感器支持對體溫進行測量.許多疾病都伴有體溫的特征性變化，同樣，可以通過測量體溫來監控某些疾病的病程.本文所用的體溫傳感器是深圳亞科盛科公司的AS5600，使用了在+5 V電壓下電流消耗為4 mA的體溫傳感器.

(5)血糖傳感器：該傳感器晝夜不停地記錄血糖水平.通過該傳感器，可以觀察到血糖水平的發展方向和速度的趨勢.本文所用的血糖傳感器是NPA-100M-033D，其帶寬為0～25 Hz，電流消耗為6 mA.信號代表著血液中的含糖量.

這些傳感器將被整合在一起，以組成體域網.

1.1.2 Arduino

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，上述5個傳感器連接到Arduino Uno，包括14路數字輸入/輸出引腳(其中6路可作為PWM輸出使用)、6路模擬輸出、1個16MHz晶體振蕩器、1個USB接口、1個電源插座、1個ICSP header和1個復位按鈕.Arduino支持微控制器[13]所需要的一切.要啟動Arduino Uno，可以簡單地使用1根USB連接線將其連接到電腦.

1.1.3 Wi-Fi Shield

Wi-Fi Shield允許Arduino板使用802.11無線規范連接到Wi-Fi.其基于HDG204無線局域網802.11b/g系統級封裝.Wi-Fi Shield上有一個板載micro-SD插槽，可被用于通過網絡存儲服務所需的文件.且板載micro-SD讀卡器可以通過SD庫來訪問.

1.2 軟件規格

1.2.1 MQTT協議設置

MQTT代表MQ遙測傳輸，是一個非常簡單的輕量級消息協議，主要針對受限設備、低帶寬、高延遲或可靠性差的網絡而設計.其設計原則是在盡量較少網絡帶寬和設備資源基礎上，保證可靠性和一定程度的交付.這些原則也使得該協議成為“機器到機器”(Machine to Machine,M2M)的理想協議.因此，MQTT協議被用于移動應用程序獲取來自傳感器讀數的標準方法.該協議還確保了網絡的安全性和隱私性.MQTT的V3.1版本中，用戶名和密碼與一個MQTT包一起傳遞.網絡上可以通過獨立于MQTT協議的SSL進行加密，因此MQTT協議將駐留在云服務中.

1.2.2 應用開發

安卓平臺具備極其廣大的用戶覆蓋面，提出的應用正是在其上開發的.應用程序開發所用的軟件為安卓開發工具Android Studio，是一個在安卓平臺上的集成式開發環境.該應用程序為輕量級應用，向醫生和患者提供便利的訪問.

1.2.3 云存儲

云存儲在這個項目中發揮著支柱作用，存儲著所有的數據，包括患者注冊時輸入的所有數據.數據存儲是至關重要的，同時還確保所有的重要數據的備份.與傳統的數據存儲方法相比較，云存儲還能更簡單地進行數據的備份和恢復.有許多云服務提供商可以幫助監控和管理基于云的應用程序，提供分析支持和推送服務，以創建用戶和云存儲之間的直接通信渠道.

2 系統運行

2.1 可穿戴設備

可穿戴設備可測量心率、體溫、血糖水平、呼吸率以及應激焦慮水平.傳感器節點包括傳感器和微控制器(本文為Arduino Uno)，傳感器獲取數據并發送給微控制器.其中，所有傳感器均向微控制器發送模擬數據.為使數據可以被微控制器理解，需要將其轉換為數字形式.這一轉換通過集成在微控制器中的模數轉換器[14](Analog-to-Digital Converter,ADC)來完成.每個節點的5個傳感器、微控制器、Wi-Fi和供電情形如圖2所示.傳感器向微控制器發送脈沖信號，而微控制器則將該信號轉換為機器語言.微控制器與Wi-Fi shield相連接，因此可以通過Wi-Fi發送數據.微控制器的作用是實現傳感器與Wi-Fi的連接.

圖2 Arduino連接示意圖

2.2 向應用服務器發送數據

傳感器連接到Arduino的Wi-Fi shield以實現Wi-Fi連接，通過Wi-Fi向智能設備應用程序發送實時讀取數據.MQTT的部署是一種標準的解決方案，因為MQTT協議駐留在云端，發揮著中介作用.并在資源上定義執行正確操作的方法.那么資源代表著什么？究竟是采用先前存在的數據，還是動態生成的數據？這些都取決于服務器的實施.而MQTT首先等待與服務器建立連接，然后，服務器將傳感器數值發布到云端.MQTT發送數據，并在請求傳遞給客戶端后立即返回數據至應用程序.MQTT的整體機制如圖3所示(針對體溫).

圖3 MQTT的機制

2.3 醫患交流

醫患交流如圖4所示，圖4中的第1個圖形界面(左邊)是患者智能設備上的應用程序.在該流程中，首先是患者注冊階段，患者選擇應用程序啟動時顯示的新用戶選項，并提交具體資料.患者的初始數據將被存儲在云中.而患者傳感器以實時形式讀取所有數據，并放在另一個云端，作為MQTT服務的中介.因此，為了獲得這一數據，智能設備上的應用程序需要向云MQTT發起訂閱.然后，這些數據將被展示給患者用戶.患者還可以選擇自身認為最適合其病情治療的醫生.被患者選擇的醫生能夠訪問該患者的詳細數據，查看患者目前的健康狀況并據此采取相應行動.患者也可以選擇創建一個新的線上預約，選擇日期等.在此之后，患者則需要等待其預約狀態.

圖4 應用程序體系結構的流程圖

在患者完成賬號登錄后，其智能手機上將顯示查看預約的選項，患者點擊該選項即可查看預約狀態.一旦患者的應用程序發送了預約安排請求，醫生方的應用程序即開始發揮作用.與患者相似，醫生首先通過用戶名和密碼進行登錄.完成登錄后，醫生可以查看所有預約安排請求.可以根據自己的日程安排，接受或拒絕預約.一旦預約得到確認，患者方的預約即變為確認狀態.此后，醫生和患者將使用一些在線視頻語音交流工具進行互動.患者的注冊界面和使用主界面分別如圖5(a)～(b)所示，一旦連接，主要的交流方式是視頻語音，這樣的方式簡單、高效、直接.

(a) 注冊界面

(b) 登陸界面圖5 患者的注冊界面與登陸界面

3 使用制作與評價

3.1 可穿戴設備的制作使用

提出的可穿戴設備使用Arduino和各種傳感器制作而成.這些傳感器讀取各種類型的體征數據.圖6～9給出了可穿戴設備的制作和使用方式.

圖6 帶電作業

圖7 使用Arduino和各種傳感器的可穿戴設備

圖8 可穿戴設備附著在胳膊上

圖9 手指上的傳感器節點

3.2 比較評價

為了對可穿戴設備進行性能評價，需要了解一些基礎特點.

數值范圍：可穿戴設備中的每個傳感器均在一個指定范圍內工作.設計范圍通常是固定不變的.如果出現范圍溢出的意外情況，則可能會導致傳感器出現永久性損傷或毀壞.傳感器的不同范圍如表1所示.

表1 監測不同體征屬性的正常數值范圍

TP(真陽性率)=被預測為True，實際也為True的記錄.

TN(真陰性率)=被預測為False，實際也是False的記錄.

FP(假陽性率)=被預測為True，實際為False的記錄.

FN(假陰性率)=被預測為False，實際為True的記錄.

為評估本文可穿戴系統的效率，對200多位患者進行了可穿戴設備的性能測試，并記錄下了真陽性、真陰性、假陽性和假陰性的數量.隨機抽取的部分實驗記錄如表2所示.

表2 患者健康指示的實例

因此，根據隨機抽取的這些實驗記錄，則敏感度、準確度、精度和特異度結果如下：

敏感度=0.87；準確度=0.85；精度=0.86；特異性=0.81.

這些數值表明本文提出的系統整體上具有極高的效率，能夠為用戶帶來切實的幫助.

表3是幾種醫用可穿戴設備的綜合比較.其中文獻[5]～[6]、[9]均采集了心電圖參數.本文系統的傳感器數量最多.自動化醫患交流是本文主要特點之一，這需要在安卓端進行大量軟件開發，包括UI的設計.

表3 與一些現有系統的綜合比較

3.3 設備成本

整個設備的成本是個重要因素，有助于分析提出系統的合理性和可行性.本文提出的可穿戴設備不同組件的價格具體如表4所示.

表4 組件信息

這些組件的總成本大約為362元.如果大批量購買，一個產品的整體成本可能會更低.上述并沒有列舉軟件價格，因為大部分情況下可以使用免費軟件.所以整體價格相當便宜合理.

4 結 論

本文提出的一種可測量患者多個重要參數的可穿戴系統，該系統可為患者帶來很大幫助，可有效地縮短醫患距離，并節省了患者的寶貴時間.為老年人或患有各種疾病而行動受限的人群提供了便利性，促進了患者的活動和就醫行為，由此提高其生活質量.而且綜合成本也比較低.

感知設備會受到固有通信和硬件的限制，包括不可靠的有線/無線網絡鏈路、干擾以及電力限制.這可能會導致將錯誤的數據集發送給終端用戶；有些時候由于應用程序加載的原因，傳感器讀數的加載可能會有延時.同時，如果操作系統版本較低，則不利于實現軟件功能，應用程序可能會出現崩潰的情況.

未來將致力于將應用程序擴展到蘋果的IOS系統和Windows等系統平臺上，現階段提出的應用程序僅適用于采用安卓系統的智能設備.還可以通過ZigBee等先進技術加快數據的處理和傳輸.