基于智能機器人平臺的家庭健康監測系統設計與開發

付彪，葉華山，江迅，唐其柱

1. 武漢大學人民醫院，湖北 武漢 430060；2. 湖北科技學院 生物醫學工程學院，湖北 咸寧 437100

引言

隨著中國進入老齡化社會，龐大的老齡化人口需要更大的空間和時間范圍內的醫療保健服務，給我國的衛生保健體系帶來了巨大的挑戰[1-3]。另外，居民生活水平的提高，對醫療保健的需求也越來越多，然而我國優質醫療資源分配不均，家庭醫療產品價格昂貴，普通家庭不能承受其價格[4-5]。物聯網、遠程醫療、人工智能技術的進步使現有的醫療模式從以醫院為主體慢慢轉變為基于物聯網技術的家庭醫療、個人醫療為主體，患者能在線得到專業醫生的指導和及時的醫療服務，從疾病治療轉變為疾病預防[6-9]，不但減輕了家庭醫療費用負擔，同時也能減輕了我國社會醫療系統的壓力。

智能機器人具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具備高度靈活性的醫療應用平臺[10-11]。基于智能機器人平臺的家庭健康監測系統是一種低成本、多功能的智能系統。通過傳感器端采集環境數據和家庭成員生理數據，長時間移動跟蹤、分析、評估家庭成員健康狀況，當老年人的生理數據出現異常時，本系統可通發出警告信息，提醒家庭成員及時調整狀態或就醫，及時發現病情，避免小病發展為大病，減少家庭醫療費用支出。系統可應用于分級診療的終端，將采集的各種數據通過網絡傳輸給上級醫院，實現數據共享。

1 系統架構與設計

系統設計包括：數據采集、數據傳輸、數據分析、數據顯示、智能藥箱、移動平臺和家用電器七個部分。主控板與溫濕度模塊、視頻模塊、可燃氣體檢測模塊、火焰檢測模塊、PM2.5 模塊、心率傳感器、心電傳感器、家用電器組成一個集多維度信息采集硬件前端。采集家庭環境數據和人體參數經傳感器端收集后發送給系統，運行在樹莓派機器人上的家庭健康監護系統通過端口取出數據，系統再進行數據存儲、分析、顯示及觸發下一個事件，見圖1。數據在家庭健康監測系統存儲后，可由程序調出環境數據和生理數據，再進行數據相關分析。

圖1 基于智能機器人平臺的家庭健康監測系統框架圖

系統將環境相關數據、分析結果在人機交互界面顯示出來，智能藥箱內置Wi-Fi 模塊，由局域網接入監測系統。系統預設每天服藥次數、服用劑量、服藥時間等參數，通過語音和燈光信號提醒老人服藥，避免因忘記服藥，影響疾病治療效果。有Wi-Fi 通信功能的電器，通過網關連接入家庭健康監測系統，沒有通信功能的家用電器，可通過智能插座控制電器的開關功能，實現對電器的控制。移動平臺可通過預先設置的程序驅動機械機構移動，跟著老人活動，并實時檢測環境參數。當發生緊急情況時，移動健康監護系統通過網絡發出警告信息到其他家庭成員以及社區醫生的智能終端，便于醫務人員及時收到通知，第一時間趕到現場。

2 系統硬件設計及功能實現

硬件包括移動平臺和健康監護系統的設計，移動平臺包含移動小車和核心主控板，由樹莓派通過I2C 方式下達移動命令給Arduino，系統根據程序分析命令控制小車移動；健康監護系統硬件包括樹莓派核心板、溫濕度傳感器、心率傳感器、心電傳感器、可燃氣體傳感器、粉塵傳感器、火焰傳感器和智能藥箱。系統功能和結構圖，見圖2。

圖2 系統功能和結構圖

數據傳輸模塊ESP8266 是一款低功耗、高集成度的Wi-Fi 芯片[12]，專為移動設備、可穿戴電子產品和物聯網應用而設計。32 位Tensilica L106 32 位RISC 處理器，CPU時鐘速度最高可達160 MHZ，支持實時操作系統和Wi-Fi協議棧，可將高達80%的處理能力留給應用編程和開發，高集成度，集成了32位Tensilica處理器、標準數字外設接口、天線開關、射頻、功率放大器、低噪聲放大器、過濾器和電源管理模塊等，僅需7 個外圍元器件，超寬工作溫度范圍：-40℃～ +125℃，且能夠保持穩定的性能，適應各種操作環境。聯網平臺基于樹莓派3B+開發板，運行Raspbian系統。

數據采集模塊包括溫濕度采集、心率采集、心電采集等。其中，溫濕度模塊采用Si7021 傳感器，傳感器采集的數據經過濾波放大后傳輸到ESP8266，ESP8266 經過Wi-Fi 將數據傳輸到無線路由器，無線路由器再將數據轉發到物聯網系統的端口[13]。物聯網系統通過端口抓取數據包，進行數據的存儲、分析、顯示及觸發下一個事件。心率采集模塊使用Pulse Sensor 傳感器，該傳感器集成脈搏和心率的模塊，采用光電容積法測量脈搏[14]。設置觸發值，當心率不在設定的正常范圍時，觸發事件，發送警告信息給其他家庭成員或社區醫生，可及時發現早期疾病。心電模塊使用AD8232 傳感器，該傳感器具有高精度、使用廣泛、體積小等優點，具有導聯脫落監測功能、脫落后快速恢復，被廣泛應用在心電檢測的電子產品上[15]。心電采集模塊采集心電信號，通過采集的心電信號可及時發現心肌梗塞、心臟病等發病的早期癥狀，進行早期治療，減小突發疾病死亡的概率。

可燃氣體檢測模塊、粉塵模塊、火焰檢測模塊硬件選配，MQ-9 模塊是一款檢測可燃氣體的傳感器，使用的氣敏材料是二氧化錫，采用高低溫循環檢測方式。低溫檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳濃度增加而增加，高溫檢測可燃氣體甲烷、丙烷并清洗低溫時吸附的雜散氣體[16]。粉塵模塊采用GP2Y1014AU 模塊，該模塊可檢測微小粒子，感知煙草產生的煙氣和花粉、房屋粉塵等，具有體積小、重量輕、便于安裝和成本低等優點。當粉塵濃度達到預設值時，觸發系統事件，給家庭成員發送警告信息，提醒粉塵濃度過高，并打開空調或空氣凈化器等設備，減小家庭環境中的粉塵濃度，減小家庭成員患呼吸系統疾病的概率。當檢測到發生火災時，觸發系統事件，系統給家庭成員發送警告信息，家庭成員接收到信息后可快速報警，便于消防人員第一時間到達現場，以此減小家庭成員生命受到威脅的概率，降低家庭財產的損失。

3 系統軟件開發

健康監測系統軟件包括操作系統、Domoticz 系統燒錄流程、數據庫、Web 服務軟件、移動端APP 軟件等[17]。本設計操作系統是物聯網平臺運行Raspbian 系統，基于Debian 開發，特意根據Raspberry 硬件編寫相關驅動和支持包。Domoticz 是一個開源的智能系統，它可以監測和控制各種設備，還可以向任一移動設備發送通知和警告，用戶界面是一個可擴展的HTML5 網頁，而且能夠自動適應桌面瀏覽器及移動設備，兼容主流瀏覽器，支持各種協議和硬件。本項目的物聯網平臺基于Domoticz 系統，使用Python 進行二次開發。ESP8266 燒錄固件流程，安裝USB to UART Derive 程序，使用CH340 數據線將ESP8266 連接到電腦上，用Flash ESP8266 軟件將固件燒錄到ESP8266電路板。Web 服務采用當前流行的MVC 架構，JAVA 作為開發語言，部署在Web 服務器上。用于存儲從傳感器采集的數據，及為用戶提供醫療信息服務。APP 軟件基于Android、H5 和Javascript 作為開發語言。通過移動終端訪問和管理機器人健康服務系統，用戶能實時了解家人的健康狀況。從傳感獲取的數據，不能長期保存，給老年人的健康狀態查看和分析帶來了困難，本項目采用Python 程序，將獲取的實時數據及時地寫入到數據庫。

4 測試與結果展示

家庭健康監測前端系統軟硬件設計完成后，接著需要對系統的各部分進行功能測試，以驗證其是否正常，家庭健康監測采集前端系統最終實物，如圖3 所示。首先將系統程序下載完成后，對監護終端上電，觀察系統運行情況，依次檢驗系統初始化是否正常，生理參數測量模塊是否正常，交互的主UI 界面是否顯示正常。

圖3 家庭健康監測前端硬件制作實物圖

人體多參數采集前端系統硬件驅動初始化均正常，符合檢測要求，系統正常初始化。接著，SD 卡內存放的系統APP 圖標進行繪制功能界面，系統生理采集板的心電和血氧模塊分別進行測量檢測，測量檢測結果如下圖4 所示。

為了便于將家庭健康監測系統前端接入智能機器人平臺，在使用核心板時，會配置一個展板，用于實現局域網傳輸數據以及體征監測、環境監測、視頻監控、語音聊天、異常警報功能。移動平臺驅動機構使用四輪小車，結合CSI 接口免驅動程序的攝像頭，可實時跟蹤被監測者，如有跌倒或長時間不移動會智能識別，如圖5 所示。

圖4 血氧、心電檢測

圖5 基于智能機器人平臺的家庭健康監測系統展示

5 結語

本系統基本完成了從傳感器采集數據、無線局域網的數據傳輸、數據顯示到家庭健康監測系統的搭建，實現溫濕度傳感器的數據在系統上的實時顯示。本設計方案有三個設計亮點：① 系統使用多種傳感器采集家庭環境數據和成員生理數據，不只是單獨的采集環境數據，能根據數據結果反饋控制家電，實現家電的自動化，優于市場上出現的除了采集環境數據進行顯示、很少有后續的觸發事件的監測系統；② 采用ESP8266 組網方案，實現家庭局域網內的數據采集、家電控制。系統可通過增加ESP8266 節點將眾多傳感器、家電連入家庭健康監測系統，還可以進一步開發完善手機APP 遠程控制系統；③ 該系統可以作為分級診療的終端使用，將便攜式的健康監護設備接入家庭健康監測系統，實現遠程診斷、數據共享的功能。

同時，我們也希望對系統進行進一步地完善，比如在系統軟件開發方面，開發實時動態的UI 數據顯示軟件，讓數據以更加人性化的方式顯示。家庭健康監測系統可以通過軟件開發接入社區醫院等醫療機構，讓專業醫師評估家庭成員健康狀況。家庭健康監測系統隨著相關功能的完善，必將呈現出更多的實用價值。