基于物聯網技術的健康監測大數據平臺設計

劉蓉蓉 蔡士東 王丹丹 趙 雪 李涵彧 馬芳迪 董思嫻

大連民族大學信息與通信工程學院，遼寧 大連 116600

到目前為止，隨著物聯網和大數據的不斷發展與進步，我國的醫療行業也受到了沖擊，實現了醫療信息數字化，醫療過程數字化。在疾病監測領域，借助基于機器學習或認知系統的預測模型，醫生可以遠程根據患者的特征對其是否會患上慢性疾病進行風險預估，無須堅持既定的護理計劃或讓患者重復入院治療。這樣的早期干預可以大大降低患者的醫療費用，提高國民健康保障。

隨著生活水平的提高，生活環境的改變，許多在中老年人群中常見的疾病呈現出低齡化的趨勢。由于人們經濟水平和城市之間醫療水平存在差異，使得許多人對身體提前發出的疾病信號不重視，等到后期惡化去醫院檢查已經錯過最佳治療時期。所以及時監測個人和家人的身體健康是十分有必要的。

為滿足普通人群在醫院以外的地方對身體健康狀況的監護要求，設計一種便攜式人體健康參數監測系統具有以下意義：首先通過一臺儀器將人體各項參數集中在一起進行實時測量，從而提高測量儀器的集成度和便利性。其次測量采用全自動的方式，通過對各項參數設定門限，可以在測量后對超出門限的參數自動給出相關說明。因此，一部功能強、使用簡單方便、體積小可隨身攜帶、可監測人體的重要生理參數并實時顯示的監測系統儀具有很高的科學價值和社會意義。

1 總體方案

該平臺物聯網終端包括用戶數據采集平臺、用戶與醫生的交互平臺、用戶各項健康指數平臺、后臺管理員平臺、電子病歷平臺等。系統框架如圖1所示。

圖1 系統架構圖

①客戶端模塊。由傳感設備和安卓平臺組成，用戶通過傳感設備檢測的數據從安卓平臺上傳至云服務器。

②物聯網監測平臺。平臺接收到來自云服務器的用戶數據，創建用戶個人空間，根據用戶個人數據進行各項健康指數分析，生成電子病歷[1]。在健康狀況出現異常時發送健康異常預警。

設計最終目標如下：

①用戶數據采集。用戶通過各種傳感器設備采集各項健康數據并通過客戶端上傳至物聯網監測平臺。

②用戶與醫生的交互。該平臺的客戶端運行在車輛的智能終端上，后臺管理平臺部署在云端服務器。用戶可以隨時提交與健康相關的問題，認證醫生可以登錄服務器端的管理平臺在線解答用戶提出的問題。另外，用戶也可以在線瀏覽常見問題及其他用戶所提出的問題和答案。

③用戶各項健康指數平臺。該平臺通過大數據分析用戶上傳的健康數據生成趨勢圖。

④后臺管理員。管理員通過后臺進行數據處理以及平臺維護。

⑤電子病歷。平臺通過用戶上傳信息及數據整合分析生成電子病歷。

2 客戶端模塊設計

客戶端模塊由傳感設備和安卓平臺組成，用戶通過傳感設備檢測數據從安卓平臺上傳至云服務器。主要利用傳感器等設備實現對相應醫療資源和患者信息進行實時采集，然后通過安卓系統的軟件對采集到的數據進行上傳，從而實現對醫療資源的實時監控和跟蹤。

利用傳感器法設計人體體溫與心率檢測裝置，傳感器法是近年來興起的一種方法，它具有測量精確、使用簡單的特點。該方法是以單片機為核心，通過傳感器、AD轉化模塊和液晶顯示模塊組合而成。系統一般采用低成本、在應用領域開發廣泛的8位單片機AT89S52，然后對傳感器采集的信號進行模數轉換，并對檢測結果給予顯示。該檢測儀器具有體積小、檢測方便及操作簡單的特點。

上傳數據時先使用tcp/udp socket調試工具，建立一個UDP客戶端，選擇ECS的IP地址和設置的端口號，進行數據測試。通信成功后，在阿里云上運行一個UDP服務器程序，然后使用gcc指令編譯程序。打開 NB-IoT QNavigator ，點擊Connect to module.就會自動連接。點擊 NB-IoT QNavigator左側的UDP，將阿里云服務器的IP地址和dup服務器的端口號填入，點擊連接。數據通過NB模塊上傳成功。客戶端模塊如圖2所示。

圖2 客戶端模塊圖

客戶端模塊的傳感設備以手環的形式使用，手環將采集到的健康數據上傳至監測平臺的用戶個人空間，并與之前的數據形成曲線圖，每一項健康數據單獨成圖，健康狀況綜合分析，提供給用戶健康方案和就醫信號，用戶可根據自身情況做出應對策略。

安卓的界面設計主要包括健康數據的實時展現部分、歷史數據的部分和系統推薦的健康方案部分。要用到Android系統的Activity組件，Activity組件的主要功能就是用于視圖的展現，在手機的屏幕上展示出設計的各種畫面。本系統中，幾個界面的展現都是基于Activity組件來完成的。

3 物聯網監測模塊設計

物聯網監測模塊融合了物聯網、移動互聯應用、云服務平臺等多項技術。用戶使用各種醫療傳感設備進行健康信息采集，通過手機客戶端上傳信息至云服務器，物聯網監測平臺從云服務器獲取用戶上傳的數據以及過往病史進行整合分析后[2-4]，創建用戶個人空間，生成電子病歷，實時監測用戶健康狀況。同時用戶授權的認證醫生和親友也可通過客戶端查看用戶的健康信息。醫生和用戶可通過平臺進行信息交互，管理員通過后臺可進行數據處理以及平臺維護。監測平臺的圖形數據呈現將全面采用ECharts的頁面呈現架構，而數據表格與圖形報表通過混排的方式進行呈現。ECharts基于html5核心機制，是一個純JavaScript圖表呈現的第三方插件，提供非常直觀、生動、可交互、可二次開發的數據可視化組建。報表設計可利用其獨特的拖拽、自有組裝數據視圖、值域設定等特性來提升用戶體驗，充分賦予用戶對醫院運營基本監測平臺的數據進行挖掘、數據整合的能力。物聯網監測模塊設計如圖3所示。

圖3 物聯網監測模塊

平臺數據通過HTTP/2通道進行消息流轉。配置HTTP/2服務端訂閱后，物聯網平臺會將消息通過HTTP/2通道推送至服務端。通過接入HTTP/2 SDK，HTTP/2 SDK提供身份認證、Topic訂閱、消息發送和消息接收，傳感器采用GPRS傳輸數據，采用微消息隊列MQTT，微消息隊列 MQTT 主要承擔移動端連接接入、連接管理、數據轉發等工作，相當于一個無限擴展能力的連接網關。傳感器傳送數據到阿里云Iot。

由于低配置且資源受限或者對網絡流量有要求的設備，不適合直接構造JSON數據和云端通信，因此選擇將數據透傳到云端，由云端運行轉換腳本將透傳的數據轉換成Alink JSON格式的數據。可以在創建產品時，選擇數據格式為透傳/自定義格式，目前轉換腳本通過JavaScript語言開發，需要開發者自行開發轉換腳本。物聯網平臺為開發者提供了用于數據解析的在線腳本編輯器，方便在線的編輯和模擬調試。阿里云Iot的設備傳輸數據格式是JSON格式，采用post方式提交數據。MQTT采用topic形式發送數據，通過topic進行發送，MQTT將消息進行轉儲，使用RocketMQ進行轉儲，RocketMQ支持HTTP協議，通過ip地址直接訂閱消息。數據解析如圖4所示。

圖4 數據解析框圖

4 結 語

本文實現了基于物聯網技術的國民健康監測大數據平臺的開發，運用物聯網、移動互聯應用、云服務平臺等多項技術，將本平臺應用于智能醫療領域，可實時分析各種大量原始數據，幫助臨床醫生為患者確定最佳治療計劃。同時還可以利用規范模型來識別病人患重大疾病的風險，及時采取干預措施，從而及時挽救生命并節約資源。解決傳統監測或者人工檢測技術存在缺陷，常規監測系統偏重采集，在整合數據、分析診斷上能力弱等問題。

人體的健康狀況都會通過其身體的一些健康參數顯示出來，如體溫、脈搏、心率、血壓、血氣等參數都是人體健康狀況的最直觀的顯示。并且此類健康參數都能在人體身體表面進行直接的測量與分析，高精度的監測參數對人體健康狀況的分析具有重要的作用。現代人受繁忙生活所累，根本不注意身體發出的信號及其重要意義，直至釀成重病。調查顯示，慢性病已成為危害現代國民健康的主要原因，而對健康數據的監控是預防慢性病的唯一有效途徑。設計和實現一個基于物聯網技術的健康監測大數據平臺，可以實時監測人們身體健康情況，判斷是否需要采取相應的治療措施。