一種分布式智慧家庭健康管理系統的設計

龔志鵬 余偉豪 李延平 高秋榮 潘汨 謝斌

摘 要：文章提出了一種低成本的基于網絡的分布式智慧家庭健康管理系統設計方案，研究了普通家庭成員依年齡分布對健康及安全的需求，考察各種相關傳感器特性，分析了系統的數據結構特點，研究了及各子系統間可行的數據通信方式；充分利用當前智能手機普及程度高，信息處理能力強的特點，使得系統具有低成本、高可靠、低功耗特點；系統通過對多方數據融合，能結合個體實際情況作出健康狀態判斷，提出專業建議，并在緊急情況下采取應急措施。

關鍵詞：可穿戴設備；健康管理；居家養老；老齡化

隨著人們生活水平的提高，人們越來越關注自身的生活質量和健康問題。但都市生活節奏快，大部分人平時工作繁忙，對自己的家庭成員的健康與安全既擔心牽掛，又無暇顧及；我國正逐步進入老年社會，據人社部和國家統計局數據，2016年，我國老年人口為2.16億，到2035年，老年人口將達4億[1]。可是如今我國還是一個發展中國家，養老機制尚不完善，希望能盡量控制養老成本，加上中國傳統觀念的影響，許多老人更愿意和自己家人在一起，許多地方開始嘗試智能居家養老。人們迫切希望有一種設備或系統能讓自己及時了解家庭成員的健康安全問題，以便采取對應措施。得益于智能可穿戴設備和傳感器技術的發展，這種想法逐漸變得現實。2002年，美國Xybernaut公司發布了一款名為Poma的穿戴PC，意味著可穿戴式設備首次進入市場[2]。此后各種便攜式可穿戴設備如智能手表、手環、智能眼鏡等相繼推向市場。一開始，這些設備主打時尚觀念，通過新奇感吸引消費者，健康因素在次要位置。隨著越來越多的公司加入，市面上同質化產品越來越多，消費者的新鮮感消失，自2014年以來，手環銷量就開始大幅下滑，單純靠主打時尚概念已經不能打動消費者。然而不能否認，各種可穿戴設備的發展為智能醫療健康體系作了必需的技術積累，而各種可穿戴設備如智能手環、手表、鞋墊等都可成為是健康網絡重要的末端傳感器。一些學者就這些設備融入健康醫療系統做了許多有益的探索3-5]，但都沒形成一個完整系統，同時由于工程實際中空間、成本、功耗等方面的限制，這些想法實用性不高。為此，本文提出一種低成本的實用方案。

1 家庭健康與需求分析

一個普通家庭的組成，可根據人的成長階段劃分，包括嬰兒、幼兒、學齡兒童、成年人、老年人，各年齡階段的人群對健康與安全需求不同。

（l）嬰兒是家里的重點監護對象，有專門的成年人監管或專業醫生照料，所以一般不需另外安排特別的監測。

（2）對于稍大一些的幼兒，有專人看護，但也可以稍微放手，不需像嬰兒一樣緊盯著。這時期一般比較活潑好動，無辨別能力，主要問題是防止走失和意外傷害，當幼兒離開監護人視線，或進入危險區域應觸發報警，提醒監護人注意。

（3）對學齡兒童，開始獨立自主，有一定獨處時光，這時期由于好奇心強，社會經驗不足，比較容易受到意外傷害，容易單獨誤入危險區域，如水塘邊、河道邊、無人的深巷，在意外隋況下應及時觸發報警。

（4）對于中青年成年人，這類人群一般身體都還算健康，是家庭頂梁柱，生活壓力大，工作負擔重，經常要在辦公室伏案工作，缺少適當活動，又抽不出合適的時間來鍛煉，不知不覺形成久坐不動的習慣。據調查研究，久坐對身體危害很大，長期久坐能引關節炎、糖尿病、各類消化道、血管及神經疾病，是世界衛生組織認定的十大致死致病元兇之一，有高達70%疾病與久坐有關。因此對這類人群的當務之急是提醒他們及時活動，適當控制能量消耗，補充水分，并制定一個可行的比較系統健身計劃，以達到延緩衰老，減少病患的產生和積累，又能積極投身事業發展的目的。

（5）老年人，人進入老年期后，身體機能較弱，抵抗力較差，常有各種病患，許多慢性疾病需要時時監測；大腦功能退化，神經衰弱，記憶衰退，需防止走失；而且體力不濟，自理能力差，更容易發生意外，相對于成年人的久坐，老年人意外跌倒的危害巨大，極易致殘致命。所有我們需要實時檢測老年的多項生理指標，檢測其活動軌跡，并實時了解其運動狀態，對可能出現的意外事故及時處理。

2 系統的設計與實現

依據對一個家庭成員的健康監管需求，設計時，盡可能采用已有設備，如大量普及的智能手機，降低成本，便于推廣應用，本文設計分布式智慧家庭健康管理系統方案如圖1所示。系統由幼兒看護、兒童監護、成年人運動提醒、老年人監護4個子系統組成，并配備后臺服務器。各子系統用于檢測看護對象的狀態，并向后臺服務器發送傳感器數據，考慮到數據長度較短，以及維護運行的方便，數據的發送采用了短信形式。

2.1分布式子系統設計

2.1.1幼兒看護

幼兒看護主要是防止走失，系統設計了基于藍牙接收的信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）測距的電子牽繩。系統中，幼兒佩戴基于低功耗藍牙芯片的DA14580的藍牙主設備，監護人利用智能手機充當藍牙從設備。當幼兒與看護人距離超高設定值，如5m時，報警器立即響起，提醒監護人注意。

2.1.2兒童監護

防止兒童誤入危險區域，主要方法是進行定位，并設置電子圍欄，產品依智能手表形式設計，為提高可靠性，采用GPS和北斗導航系統，并結合基站和WiFi定位。智能手表將定位信息發送給后臺服務器，由后臺服務器依據設定的電子圍欄判定危險級別。考慮到學生實際情況，為降低功耗，可照作息時間設置只在上學路上進行定位監護。

2.1.3成年人運動提醒

成年人主要是需進行運動提醒，并及時補充水分。因為絕大部分成年人都配備智能手機，手機集成了所需的運動檢測方面的各種傳感器，所以并不需特別的其他硬件支持，只需開發專門的APP程序即可，用于檢測每天運動，及時進行久坐提醒。

2.1.4老年人監護

老年人是整個家庭管理系統的難點，需要檢測多項指標，考慮到檢測位置、傳感器安裝控件、功耗、通信與成本等因素，本系統主要檢測了心率、血壓、血氧、位置以及運動姿態等數據。老年人監護子系統由智能手環、智能鞋與智能手機構成。手環主要檢測心率；智能鞋，智能手機中的運動傳感器用于檢測老人的狀態，有利于提高判定摔倒狀態的準確性。血壓與血樣檢測一般在家每天測一次即可，不需做成可穿戴設備。手環、智能鞋、手機3個設備之間采用藍牙通信，由智能手機收集數據并作出初步判定后，將結果以短信形式發往后臺服務器。

2.2后臺服務設計

后臺服務器采用普通PC機，考慮到傳輸的數據包小，數據量少，各子系統與后臺數據傳輸采用短信通知方式，使用第三方短信平臺與其他子系統進行實現通信。系統設計了一個基于VC的后端服務程序，通過串口與短信平臺進行數據交換。后臺服務器集中顯示處理各子系統發送來的數據，并及時向系統負責人推送重要信息。為了進一步了解家庭成員的身體狀態，為制定健身計劃或為醫療診斷作出參考，系統建立了家庭健康檔案，將健康監視數據存入了本地數據庫。數據庫采用Access，使用ODBC驅動，程序運行界面如圖2所示。當在列表中選擇家庭成員時，立刻顯示最新相關數據如心率、姿態等，并更新地圖位置。如有緊急情況，則狀態欄會立刻顯示異常情況，這時后臺人員可以立刻采取救護措施，如果是成人，則給出的數據是運動情況、久坐時間、能量消耗，并給出健康指導。

3結語

本文研究了當前居家養老中所面對的主要問題，分析了各年齡段對健康安全的需求，充分利用當前成熟的技術手段和現有設備，設計了一種低成本、易實現的分布式智慧家庭健康管理系統，具有較好的實用性和市場推廣價值。

[參考文獻]

[1]朱學貴，朱學才.人口老齡化對資本市場的影響探究[J]中國市場，2017 （10）：70-73

[2]2IIC各初代手環發展史[EB/OL].（2015-07-23）[2018-02-09] .http：//www.2lic.com/chongdian/crazy/2015-07-23/635323.html.

[3]王_珊.老年人.可穿戴運動健康監護產品研究——以智能手環為例[J]工業設計，2016 （9）：65-66.

[4]許麗娟，歐陽偉堅，劉裕，等.大數據與智能手環[J].智能城市，2016 （2）：29-33

[5]孫焱，戴啟銳.可穿戴設備與醫療健康產業關系研究及發展趨勢分析[J].中國數字醫學，2015（8）：25-28