基于Raspberry Pi的家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)①

王懷軍,高茜茜,付靜飛,李軍懷,王 侃

1(西安理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710048)2(陜西省網(wǎng)絡(luò)計算與安全重點實驗室,西安 710048)

隨著我國人口老齡化的加速和亞健康人群的不斷增多,人們對自己及家人的健康狀況越來越重視,對健康監(jiān)測服務(wù)的需求也不斷增加.心率、血壓、血糖等生理數(shù)據(jù)中包含了人體健康狀況的重要病理信息,因此,需要通過健康監(jiān)護模式對這些生理指標進行長期跟蹤和監(jiān)護.可穿戴設(shè)備、健康管理軟件等為“互聯(lián)網(wǎng)＋醫(yī)療”提供了全新的技術(shù)手段,通過監(jiān)測老年人生理數(shù)據(jù),可幫助用戶持續(xù)了解自身的健康狀況,做好疾病預(yù)防,降低醫(yī)療機構(gòu)壓力.

歐美等發(fā)達國家早在上世紀七十年代就開始在健康監(jiān)測領(lǐng)域進行研究,各大企業(yè)和研究機構(gòu)相繼推出健康監(jiān)測方面的產(chǎn)品.MIT Media Lab 的 LiveNet[1]系統(tǒng)通過對帕金森和癲癇病患者的心電圖、血壓、血氧等生理數(shù)據(jù)進行長期的實時監(jiān)測,使用建模和識別方法分析患者的健康狀態(tài),并及時將健康信息反饋給患者.LifeGuard[2]系統(tǒng)是21世紀初一個非常著名的健康監(jiān)測系統(tǒng).它主要使用可穿戴檢測設(shè)備,監(jiān)測船員生理健康數(shù)據(jù).LifeGuard系統(tǒng)可持續(xù)監(jiān)測并報告船員的血壓、心率、血氧飽和度及體溫等數(shù)據(jù),此外還可實時監(jiān)測和報告船員的身體姿勢和心電圖數(shù)據(jù).該系統(tǒng)使用藍牙方式將上述數(shù)據(jù)傳輸至固定的基站進行處理,若某項生理參數(shù)超過傳感器預(yù)設(shè)生理參數(shù)閾值,可通過報警方式及時告知船員.CodeBlue[3]系統(tǒng),設(shè)計并實現(xiàn)了硬件和軟件平臺,用于監(jiān)測和報告病人生理數(shù)據(jù).其監(jiān)測的生理數(shù)據(jù)包括血氧、心率、心電圖和肌電圖.MyHeart[4]系統(tǒng)是一個歐盟的綜合項目開發(fā)的,旨在預(yù)防和監(jiān)測心血管狀態(tài)的智能系統(tǒng).與MyHeart系統(tǒng)類似,Wealthy[5]項目、Mermoth[6]項目同樣將多種傳感器放入特質(zhì)的衣物中,來監(jiān)測人體心電和呼吸數(shù)據(jù),用于常見的健康監(jiān)護.Miramontes R 等人[7]提出的PlaIMoS系統(tǒng),使用可穿戴設(shè)備監(jiān)測與慢性呼吸系統(tǒng)疾病相關(guān)的血氧飽和度、呼吸率、體溫等參數(shù),并通過藍牙方式將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān),之后通過無線網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器進行處理,最終在Windows系統(tǒng)和Android 系統(tǒng)中進行實時顯示.Serhani MA 等人[8]提出了一種端到端的移動監(jiān)測架構(gòu)SME2EM,該架構(gòu)利用定制的頭戴式設(shè)備采集生理數(shù)據(jù)實現(xiàn)對終生殘疾的患者的自動監(jiān)測和可視化監(jiān)控,并在數(shù)據(jù)集成、移動資源優(yōu)化以及數(shù)據(jù)可視化等方面進行了深入研究.

在網(wǎng)關(guān)方面,Emara KA[9]、Zhu Q 等人[10]提出了用不同協(xié)議(如ZigBee、藍牙和以太網(wǎng))將傳感器網(wǎng)絡(luò)連接到 Internet的網(wǎng)關(guān).Rahmani AM 等人[11]提出了一種智能電子網(wǎng)關(guān),該網(wǎng)關(guān)支持各種無線協(xié)議并負責(zé)設(shè)備間的通信,提供多個高級服務(wù)(如數(shù)據(jù)過濾、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析等).Mittek M等人[12]開發(fā)了Angelos網(wǎng)關(guān),為快速支持網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用程序開發(fā)提供了一個基于套接字的環(huán)境.

雖然在健康監(jiān)測領(lǐng)域已有較多研究,但應(yīng)用在家庭健康監(jiān)測方面的研究較少.為實現(xiàn)對常見慢性病的長期監(jiān)護和跟蹤,并對監(jiān)護對象的生理數(shù)據(jù)進行便捷的采集、處理、傳輸,本文研究并實現(xiàn)了家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān).本文章節(jié)安排如下:第一部分介紹了網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計.第二部分對系統(tǒng)進行實現(xiàn)與測試.最后對全文進行了總結(jié).

1 家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計

家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)可以通過藍牙心電儀、血壓計、血糖儀和血氧儀等便攜式生理檢測設(shè)備采集人體生理健康數(shù)據(jù).系統(tǒng)基于 Raspberry Pi硬件平臺,實現(xiàn)對生理數(shù)據(jù)的自動采集和對健康檢測設(shè)備的統(tǒng)一管理.

Raspberry Pi(簡稱 RPi,或者 RasPi/RPi)是一塊基于ARM芯片的微型計算機主板,它由以埃本·阿普頓(Eben Epton)為首的英國慈善組織“Raspberry Pi 基金會”開發(fā),并于2013年3月正式發(fā)售.由于其擁有與PC機相似的基本功能,且價格便宜、外形較小,能較好的滿足基本需求,因此本文基于Raspberry Pi開發(fā)家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān).

1.1 總體結(jié)構(gòu)

家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)主要功能包括:使用藍牙方式與便攜式生理檢測設(shè)備進行通信,獲取人體生理健康數(shù)據(jù);對生理檢測設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行解析、處理;對生理數(shù)據(jù)進行封裝,使用TCP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)通信服務(wù)器,并將其存儲至數(shù)據(jù)庫.根據(jù)以上功能需求,設(shè)計家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

由圖1可知,家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)主要包含藍牙通信、數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)傳輸和存儲、以及網(wǎng)關(guān)主程序四個模塊.藍牙通信模塊主要負責(zé)與藍牙心電儀、血壓計、血糖儀和血氧儀等生理數(shù)據(jù)檢測設(shè)備進行通信,包括藍牙設(shè)備的掃描、配對,藍牙服務(wù)匹配以及數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等功能.數(shù)據(jù)解析模塊主要用于解析不同類型的生理數(shù)據(jù)和控制消息.由于不同的生理檢測設(shè)備使用的數(shù)據(jù)格式(協(xié)議)的差異(主要體現(xiàn)在其攜帶的具體的生理數(shù)據(jù)格式差異),因此需要對不同設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包進行單獨解析.數(shù)據(jù)傳輸和存儲模塊主要負責(zé)將人體生理數(shù)據(jù)封裝成特定的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議格式,并使用TCP方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)通信服務(wù)器進行處理.在此過程中,若家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)未接入網(wǎng)絡(luò),或數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生錯誤,則會將封裝完成的數(shù)據(jù)包保存至本地緩存文件中,待設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后進行傳輸.網(wǎng)關(guān)主程序模塊主要負責(zé)對上述功能模塊進行調(diào)度,以確保家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)為監(jiān)護對象提供便捷的生理數(shù)據(jù)采集和傳輸服務(wù).

下面對網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的主要技術(shù)進行介紹.

1.2 網(wǎng)關(guān)主程序模塊

家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)主程序模塊是整個網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的核心,負責(zé)使用藍牙通信模塊掃描生理檢測設(shè)備,接收監(jiān)護對象生理健康數(shù)據(jù).當(dāng)生理數(shù)據(jù)解析完成后,使用事件管理器觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳生理健康數(shù)據(jù).

網(wǎng)關(guān)詳細流程圖,如圖2所示.

圖2 主程序模塊流程

當(dāng)網(wǎng)關(guān)程序啟動后,首先,通過 binding_event()方法,將upload_data()方法注冊為數(shù)據(jù)上傳事件處理函數(shù),負責(zé)上傳生理健康數(shù)據(jù);之后,啟動藍牙服務(wù)線程,利用start_bt_srv()方法中掃描藍牙設(shè)備,發(fā)現(xiàn)藍牙服務(wù),并獲取生理健康數(shù)據(jù);最后,當(dāng)接收到監(jiān)護對象采集的生理健康數(shù)據(jù)后,使用send_event()方法觸發(fā)數(shù)據(jù)上傳事件,并上傳生理健康數(shù)據(jù).

1.3 藍牙通訊模塊

藍牙通信模塊是整個家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)最基礎(chǔ)的部分,主要負責(zé)使用藍牙方式與生理檢測設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信.藍牙通信模塊包括設(shè)備配對、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?數(shù)據(jù)傳輸模塊詳細的流程圖如圖3所示.

圖3 藍牙模塊數(shù)據(jù)處理流程圖

上述過程中,生理檢測設(shè)備使用串行方式接入網(wǎng)關(guān),主要依據(jù)是:4種藍牙設(shè)備當(dāng)數(shù)據(jù)準備就緒后,若無網(wǎng)關(guān)接入,將等待 1 分鐘時間;同時,設(shè)備數(shù)據(jù)采集時間均大于等于30秒,而數(shù)據(jù)傳輸和上傳的總時間均小于 15 秒.因此,若 4 臺設(shè)備同時進行數(shù)據(jù)采集,則仍可在有效時間內(nèi)傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備.

1.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)對接收到的用戶生理數(shù)據(jù)進行解析后,需將該數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)通信服務(wù)器進行處理.數(shù)據(jù)傳輸模塊主要功能是按設(shè)計的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,使用TCP方式傳輸生理數(shù)據(jù).此外,若網(wǎng)關(guān)設(shè)備未接入網(wǎng)絡(luò),則需對數(shù)據(jù)進行本地存儲.

在數(shù)據(jù)傳輸模塊中,首先,會對生理數(shù)據(jù)按照與數(shù)據(jù)通信服務(wù)器約定的協(xié)議格式進行封裝.之后,判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),若當(dāng)前網(wǎng)關(guān)設(shè)備未接入網(wǎng)絡(luò),則會將封裝完整的數(shù)據(jù)包寫入本地緩存文件;若已接入網(wǎng)絡(luò),則進入數(shù)據(jù)傳輸過程.

在進行數(shù)據(jù)傳輸時,會首先檢查本地文件是否有緩存數(shù)據(jù),若有數(shù)據(jù),則將優(yōu)先發(fā)送緩存數(shù)據(jù),之后傳輸當(dāng)前數(shù)據(jù)包;若無緩存數(shù)據(jù),則直接對數(shù)據(jù)進行發(fā)送.在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中,若發(fā)生錯誤導(dǎo)致傳輸過程終止,網(wǎng)關(guān)會將未發(fā)送的數(shù)據(jù)保存至文件中.最后,當(dāng)數(shù)據(jù)上傳結(jié)束后,將等待一小段時間,以接收服務(wù)器的錯誤重傳消息,若接收到重傳請求,則將重新發(fā)送指定的數(shù)據(jù)記錄;若未接收到該消息,則斷開與服務(wù)器之間的TCP 連接.至此,整個傳輸過程結(jié)束.數(shù)據(jù)傳輸模塊處理示意圖如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)處理模塊示意圖

數(shù)據(jù)傳輸模塊的實現(xiàn)主要分數(shù)據(jù)組裝、本地緩存和數(shù)據(jù)傳輸三個部分.

(1)數(shù)據(jù)組裝

數(shù)據(jù)組裝分為生理數(shù)據(jù)組裝和傳輸數(shù)據(jù)包組裝兩個過程.針對不同的生理數(shù)據(jù)類型,其組裝的格式也不同.以心電數(shù)據(jù)為例,生理數(shù)據(jù)組裝基本格式如圖5所示.

圖5 生理數(shù)據(jù)組裝格式

如圖5中,Type字段用于標識設(shè)備類型,該字段與藍牙通信協(xié)議格式中LQI字段對應(yīng).MAC字段為藍牙設(shè)備物理地址,系統(tǒng)使用該地址進行用戶識別.Length字段對數(shù)據(jù)長度進行標識,該長度僅表示數(shù)據(jù)體中包含多少個數(shù)據(jù)區(qū)域,用于數(shù)據(jù)通信服務(wù)器進行數(shù)據(jù)解析.Datetime字段用于記錄該條生理數(shù)據(jù)的采集時間.Data字段為真正的有效生理數(shù)據(jù)區(qū)域,該字段包含數(shù)據(jù)編號UUID和生理數(shù)據(jù)區(qū)域.UUID是36位唯一識別碼,用來標識每條數(shù)據(jù)記錄,該字段可用于在發(fā)生錯誤時進行數(shù)據(jù)重傳.生理數(shù)據(jù)區(qū)域針對不同類型的生理數(shù)據(jù),其表示格式不同,如血氧數(shù)據(jù)僅包含血氧飽和度一個字段,而心電數(shù)據(jù)包含心率和心電波形兩個字段.

當(dāng)對生理數(shù)據(jù)部分組裝完成后,還需將數(shù)據(jù)組裝成與服務(wù)器約定的通信協(xié)議數(shù)據(jù)包格式,該部分協(xié)議格式主要由服務(wù)器端約定.

(2)本地緩存

該部分功能主要用于家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)在未接入網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)實現(xiàn)對用戶生理數(shù)據(jù)的存儲.當(dāng)需發(fā)送的數(shù)據(jù)包組裝完成后,首先判斷網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),若未接入網(wǎng)絡(luò),則將數(shù)據(jù)包寫入本地文件中.當(dāng)網(wǎng)關(guān)接入網(wǎng)絡(luò)并進行數(shù)據(jù)傳輸時,將首先檢查緩存文件有無待發(fā)送數(shù)據(jù),若有緩存數(shù)據(jù),則將優(yōu)先發(fā)送緩存數(shù)據(jù),再進行之后的數(shù)據(jù)傳輸.當(dāng)緩存數(shù)據(jù)被讀取之后,該文件將會被置空.此外,在數(shù)據(jù)上傳過程中,若出現(xiàn)傳輸錯誤,未被發(fā)送的數(shù)據(jù)將寫回緩存文件中.

(3)數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸部分,使用TCP協(xié)議與服務(wù)器進行通信,上傳用戶生理數(shù)據(jù).當(dāng)網(wǎng)關(guān)采集到用戶的生理數(shù)據(jù)并進行上傳時,需要與服務(wù)器建立新的TCP連接,之后再進行數(shù)據(jù)傳輸.在進行數(shù)據(jù)傳輸時,網(wǎng)關(guān)會首先發(fā)送“開始上傳”命令,之后進行生理數(shù)據(jù)傳輸;當(dāng)生理數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后,會發(fā)送“上傳結(jié)束”命令,告知服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸完成.當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后,網(wǎng)關(guān)設(shè)備將等待10秒,接收服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)重傳命令,若等待超時,網(wǎng)關(guān)設(shè)備將直接斷開與服務(wù)器的TCP連接.

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

網(wǎng)關(guān)使用Raspberry Pi的藍牙模塊與多種便攜式生理數(shù)據(jù)檢測設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信,并使用有線/無線模塊與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸,上傳生理檢測數(shù)據(jù).

2.1 軟硬件開發(fā)環(huán)境

(1)硬件環(huán)境

網(wǎng)關(guān)主要基于 Raspberry Pi硬件平臺,在Raspbian操作系統(tǒng)中使用Python語言進行開發(fā).為方便家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)的開發(fā),本系統(tǒng)選擇使用藍牙方式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳頇z測設(shè)備,包括藍牙心電儀、血壓計、血糖儀和血氧儀等設(shè)備.網(wǎng)關(guān)及健康檢測設(shè)備實物如圖6所示.

圖6 Raspberry Pi健康網(wǎng)關(guān)及健康檢測設(shè)備

(2)軟件環(huán)境

家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)設(shè)備應(yīng)用程序開發(fā)所使用的軟件開發(fā)環(huán)境如表1所示.

表1 健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)軟件開發(fā)環(huán)境

2.2 系統(tǒng)功能測試

由于健康監(jiān)測與服務(wù)系統(tǒng)功能較多,本部分將以監(jiān)護對象的心電數(shù)據(jù)采集、傳輸及展示過程為例,對系統(tǒng)整體進行功能性測試.

(1)家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān)

該系統(tǒng)的測試過程如圖7～圖10.首先保證各部分連線正確,同時藍牙模塊正常工作.打開藍牙心電儀,雙手持卡,倒計時6秒后開始測量,采集過程中保持自然呼吸.采集結(jié)束后啟動家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān),進行自動搜索設(shè)備,如圖7所示.

圖7 設(shè)備搜索

網(wǎng)關(guān)搜索到設(shè)備后,自動接收數(shù)據(jù)并進行解析,如圖8所示.

圖8 獲取數(shù)據(jù)

解析結(jié)束后,在界面上顯示用戶生理數(shù)據(jù)測量結(jié)果,同時,網(wǎng)關(guān)自動將用戶的測量結(jié)果上傳至通信服務(wù)器,如圖9、圖10所示.

圖9 測量結(jié)果

圖10 數(shù)據(jù)上傳

(2)健康監(jiān)測與服務(wù)應(yīng)用軟件系統(tǒng)

應(yīng)用軟件系統(tǒng)分為Web應(yīng)用和Android APP兩個部分,本次功能性測試將以監(jiān)護對象使用APP,健康醫(yī)生使用Web應(yīng)用系統(tǒng)分別查詢采集的心電數(shù)據(jù).其中APP部分測試界面如圖11(a)、圖11(b)所示.

Web部分測試界面如圖12所示.

經(jīng)測試,Web應(yīng)用和 Android APP應(yīng)用程序中數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計分析等功能都可正常響應(yīng).

圖11 Android APP 運行截圖

圖12 Web 運行截圖

3 結(jié)束語

本文主要實現(xiàn)了家庭健康監(jiān)測網(wǎng)關(guān).該網(wǎng)關(guān)使用藍牙協(xié)議與監(jiān)測設(shè)備進行通信,實現(xiàn)了對監(jiān)護設(shè)備的集中管理和對生理數(shù)據(jù)的自動采集,使監(jiān)測過程更加便捷.實驗表明,該網(wǎng)關(guān)可以正常完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊等工作,為“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”應(yīng)用至千家萬戶提供了必要的終端支持,在關(guān)注獨居老人健康、減輕社會醫(yī)療壓力等方面具有重要的意義.