基于云平台的智能健康监测系统及应用

乔英霞,高天雷,刘照阳 ,单珂

(1.山东电子职业技术学院计算机科学与技术系，山东 济南 250200；2. 山东省计算中心(国家超级计算济南中心)，山东省计算机网络重点实验室，山东 济南 250014)

基于云平台的智能健康监测系统及应用

乔英霞1,高天雷2,刘照阳2,单珂2

(1.山东电子职业技术学院计算机科学与技术系，山东 济南 250200；2. 山东省计算中心(国家超级计算济南中心)，山东省计算机网络重点实验室，山东 济南 250014)

设计了一种基于云平台的智能健康监测系统，实现人体体征参数的检测、监护和健康干预，为慢性病防治和不良生活习惯纠正提供了积极有效的解决途径。系统以“智能感知终端+数据处理中转站+健康云平台+多模态应用终端”为架构，基于云计算和传感器技术，设计了数据处理前端(含健康监测传感器集群阵列、数据处理中转站)、云平台数据分析存储单元和客户应用终端三个部分。通过监测血压、血氧、体温、心电、血常规、尿常规等体征参数，运用云平台成熟的数据传输技术、强大的数据计算能力以及实时动态更新的云端数据分析算法，完成数据的分析计算、异地存储、同步显示、多元分发和远程推送功能。该系统监测参数多、精度高，可实现数据的远程传输、处理和展示，有助于建立健康监测新模式。

云平台；传感器；健康监测系统

随着生活水平不断提高,人们对自身的健康状况更加重视，科技的迅猛发展也为人体健康监测提供了诸多切实有效的解决方案。美国最早将智能医疗监测设备应用在航天和军事领域，用于监测宇航员生理参数及战场伤病员体征状况。目前，国内移动医疗技术快速发展，大量监护类仪器、穿戴式装备以及消费电子产品正进入人们的视野。本文运用云计算和传感器技术，设计了一种操作简单、测量精确、可远程操控的人体智能健康监测系统,有助于建立健康监测新模式。

本文设计的基于云平台的智能健康监测系统，运用云平台成熟的数据传输技术、强大的数据计算能力以及实时动态更新的云端数据分析算法[1]，实现人体生理指标数据分析与挖掘、用户异常检测数据报警、阶段数据健康趋势分析以及潜在风险评估，从而对人们的生活习惯进行健康干预，并完成数据的异地存储、同步显示、多元分发和远程推送等功能。这些数据在云端动态存储和共享，解决了人体生理指标检测的时间和空间限制，有效弥补了现有健康监测系统的不足[2]。

1 系统总体设计

本系统主要由数据处理前端(含健康监测传感器集群阵列、数据处理中转站)、云平台数据分析存储单元和客户应用终端三部分构成，是一套应用于公共卫生服务、医疗救助服务、药物供应服务以及医疗保险服务的生态化智能健康监测系统，其服务对象是健康人群、慢性病患者以及健康促进团体等。其中，数据处理前端采用MEMS传感器、生物传感器、环境传感器实现身高、体重、血压、血氧、体温、心电、血常规、尿常规等生理指标数据的采集，并实时采集用户所处环境的气体、温湿度、气压、环境光、颗粒物等信息，通过云端大数据分析人体所处环境对人体生理指标的影响。所有数据通过数据处理中转站上传至云计算平台进行计算处理后，加密数据反馈给基于Android平台的数据处理中转站，进行数据解析并显示到交互式触摸液晶屏上，将测量的体征指标展示给用户。另一方面，云平台进行数据分发，其他得到授权的用户(用户及其指定亲属、家庭医生、营养师、医院、养老院、健康咨询机构等)可以通过手机、台式机、平板电脑、个人计算机实现用户检测信息的访问。通过构建一体式生态化系统，提供简易的数据采集、丰富的参数展示、精确的风险评估和友好的人机交互服务[3-8]。系统整体架构如图1所示。

2 系统的实现过程

2.1 硬件系统的设计

硬件系统由数据采集终端、主控制板和外设三部分组成。

(1)主控制板

主控制板采用的核心芯片为RK3188，该芯片为四核ARM Cortex-A9架构，搭载Android4.4系统，外围电路围绕系统功能设计了不同的外设及其接口电路，如图2所示。主控模块通过串口UART、USB、蓝牙以及红外模块等不同的传输方式与采集终端交互，实现人体生理指标(心电、体温、血氧、血压、生化、尿液、血脂、血红蛋白等)数据测量指令的发送并实时接收具体的测量数据，测量数据通过网络实时上传至云平台[9]。同时主控模块通过GPIO通用输入/输出接口实现与显示屏、触摸屏、麦克风、扬声器等外设的连接。

图1 系统整体架构图Fig.1 Overall architecture for the system

图2 主控模块示意图Fig.2 Diagram of the main control module

(2)数据采集终端

数据采集终端根据不同生理指标测量需求选用不同的芯片控制信号的采集。心电终端选用8路24位精度的模数转换器ADS1298，将采集到的数据通过串口传输到主控芯片。血氧终端使用光电探头采集手指的一个完整脉搏波中的光强度变化量，信号经处理后传送到主控模块。体温采集利用热电偶将温度差转化为电压差，再采用ADC0908芯片进行信号转换传送到主控模块。血压采集终端为臂筒式采集方式，选用可编程系统控制器CY8C27443对采集信号进行处理，通过红外模块将数据传输到主板。生化、尿液以及血脂、血红蛋白等生理参数使用试纸提取，通过蓝牙、USB接口进行数据传送。采集模块原理如图3所示。

(3)外设

外设主要包括显示屏、触摸屏、麦克风、扬声器等输入输出设备，用于数据显示与人机交互。

2.2 软件系统的设计

软件系统的主要分系统登录、指标采集、数据上传、数据处理及数据反馈几部分，其流程如图4所示。

(1)系统登录

设备上电运行开机，系统进行初始化并等待信息输入，用户使用身份证录入个人信息(名字、年龄、性别)登录系统。

(2)指标采集

本地用户信息录入完毕后，开始进行身体各项指标采集，使用体征传感器(血压、心电、血氧等)进行数据采集，数据解析，得出用户身体的各项指标。

(3)本地数据上传

.本地设备通过socket将测量的数据发送到云平台的服务器中，服务器通过socket server云平台把数据存放到云平台的数据库中，通过数据的发生确认确保提交数据的正确性，并最终存储在云平台的数据库中。

(4)云平台数据处理

云平台会对数据库中用户的有效标志信息进行数据分析，形成定制化健康信息和疾病可能性的预测。同时，Web service提供app和Web访问两种功能[10]，Web service通过tomcat提供服务，将定制化健康信息上传至app或Web。

(5)数据反馈

用户可通过app或Web随时了解自己的生理特征信息，其家人也可以在任何位置，任何时间查看用户相关信息。苹果手机系统iOS和Android安卓系统通过访问Web service相应的功能接口传输json获取相应的数据，通过app展现给用户。Web service开发由myeclipse+tomcat+struts+hibernate+mysql+json+jquery完成，保证了访问的并发性和实时性，提供7天24小时不间断的服务，通过jpush服务器完成对iOS和Android的推送，给用户提供app服务的同时免费给用户推送一些医疗健康知识[10]。

图4 程序流程图Fig.4 Program flow chart

3 系统实现及实验分析

基于云平台的智能健康监测系统感知终端操作便捷，人机交互性好，数据采集准确，并且利用云平台将用户的生理体征数据进行实时处理与深度挖掘，云端同时能够长期存储测试数据，并能对生理体征数据进行分析和挖掘，分析用户身体成分变化趋势，生成生理体征数据与时间的曲线图，并提供适当的饮食建议和运动建议。终端界面如图5所示。

图5 终端设备界面图Fig.5 Terminal device interface diagram

对本文所设计的基于云平台的生物电阻抗分析检测系统的性能，我们进行了系统可靠性的验证，通过对其得出的性能指标进行对比，验证了本系统检测数据的准确性。表1(为保护隐私而隐去公司真实名称)为本系统与当前6家主流医疗设备公司所研发系统在测试指标、云平台服务能力方面的对比。

表1 本文所述检测仪与当前主流产品的对比Table 1 Performance comparison between detector mentioned here and the current mainstream products

注：√表示系统有该功能；×表示无此功能。

4 结论

本文所设计的基于云平台的智能健康监测系统，采集用户的血压、血氧、体温、心电等参数，通过云平台对采集的数据实时进行分析评估、追踪管理，并将数据分发给用户及其指定个人、群体或机构，实现了对用户自身健康状况的实时监测和风险预警，取得了较好的医疗效果。下一步，我们将在本文研究的基础上，利用云平台更加先进的科研成果对系统加以完善，使用户获得更加完美的健康监测体验和医疗服务。

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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

乔英霞(1965—)，女，硕士，副教授，研究方向为计算机应用。E-mail: gaotl@sdas.org

TP393

A

1002-4026(2017)06-0099-06