一种分布式智慧家庭健康管理系统的设计

龚志鹏 余伟豪 李延平 高秋荣 潘汨 谢斌

摘 要：文章提出了一种低成本的基于网络的分布式智慧家庭健康管理系统设计方案，研究了普通家庭成员依年龄分布对健康及安全的需求，考察各种相关传感器特性，分析了系统的数据结构特点，研究了及各子系统间可行的数据通信方式；充分利用当前智能手机普及程度高，信息处理能力强的特点，使得系统具有低成本、高可靠、低功耗特点；系统通过对多方数据融合，能结合个体实际情况作出健康状态判断，提出专业建议，并在紧急情况下采取應急措施。

关键词：可穿戴设备；健康管理；居家养老；老龄化

随着人们生活水平的提高，人们越来越关注自身的生活质量和健康问题。但都市生活节奏快，大部分人平时工作繁忙，对自己的家庭成员的健康与安全既担心牵挂，又无暇顾及；我国正逐步进入老年社会，据人社部和国家统计局数据，2016年，我国老年人口为2.16亿，到2035年，老年人口将达4亿[1]。可是如今我国还是一个发展中国家，养老机制尚不完善，希望能尽量控制养老成本，加上中国传统观念的影响，许多老人更愿意和自己家人在一起，许多地方开始尝试智能居家养老。人们迫切希望有一种设备或系统能让自己及时了解家庭成员的健康安全问题，以便采取对应措施。得益于智能可穿戴设备和传感器技术的发展，这种想法逐渐变得现实。2002年，美国Xybernaut公司发布了一款名为Poma的穿戴PC，意味着可穿戴式设备首次进入市场[2]。此后各种便携式可穿戴设备如智能手表、手环、智能眼镜等相继推向市场。一开始，这些设备主打时尚观念，通过新奇感吸引消费者，健康因素在次要位置。随着越来越多的公司加入，市面上同质化产品越来越多，消费者的新鲜感消失，自2014年以来，手环销量就开始大幅下滑，单纯靠主打时尚概念已经不能打动消费者。然而不能否认，各种可穿戴设备的发展为智能医疗健康体系作了必需的技术积累，而各种可穿戴设备如智能手环、手表、鞋垫等都可成为是健康网络重要的末端传感器。一些学者就这些设备融入健康医疗系统做了许多有益的探索3-5]，但都没形成一个完整系统，同时由于工程实际中空间、成本、功耗等方面的限制，这些想法实用性不高。为此，本文提出一种低成本的实用方案。

1 家庭健康与需求分析

一个普通家庭的组成，可根据人的成长阶段划分，包括婴儿、幼儿、学龄儿童、成年人、老年人，各年龄阶段的人群对健康与安全需求不同。

（l）婴儿是家里的重点监护对象，有专门的成年人监管或专业医生照料，所以一般不需另外安排特别的监测。

（2）对于稍大一些的幼儿，有专人看护，但也可以稍微放手，不需像婴儿一样紧盯着。这时期一般比较活泼好动，无辨别能力，主要问题是防止走失和意外伤害，当幼儿离开监护人视线，或进入危险区域应触发报警，提醒监护人注意。

（3）对学龄儿童，开始独立自主，有一定独处时光，这时期由于好奇心强，社会经验不足，比较容易受到意外伤害，容易单独误入危险区域，如水塘边、河道边、无人的深巷，在意外隋况下应及时触发报警。

（4）对于中青年成年人，这类人群一般身体都还算健康，是家庭顶梁柱，生活压力大，工作负担重，经常要在办公室伏案工作，缺少适当活动，又抽不出合适的时间来锻炼，不知不觉形成久坐不动的习惯。据调查研究，久坐对身体危害很大，长期久坐能引关节炎、糖尿病、各类消化道、血管及神经疾病，是世界卫生组织认定的十大致死致病元凶之一，有高达70%疾病与久坐有关。因此对这类人群的当务之急是提醒他们及时活动，适当控制能量消耗，补充水分，并制定一个可行的比较系统健身计划，以达到延缓衰老，减少病患的产生和积累，又能积极投身事业发展的目的。

（5）老年人，人进入老年期后，身体机能较弱，抵抗力较差，常有各种病患，许多慢性疾病需要时时监测；大脑功能退化，神经衰弱，记忆衰退，需防止走失；而且体力不济，自理能力差，更容易发生意外，相对于成年人的久坐，老年人意外跌倒的危害巨大，极易致残致命。所有我们需要实时检测老年的多项生理指标，检测其活动轨迹，并实时了解其运动状态，对可能出现的意外事故及时处理。

2 系统的设计与实现

依据对一个家庭成员的健康监管需求，设计时，尽可能采用已有设备，如大量普及的智能手机，降低成本，便于推广应用，本文设计分布式智慧家庭健康管理系统方案如图1所示。系统由幼儿看护、儿童监护、成年人运动提醒、老年人监护4个子系统组成，并配备后台服务器。各子系统用于检测看护对象的状态，并向后台服务器发送传感器数据，考虑到数据长度较短，以及维护运行的方便，数据的发送采用了短信形式。

2.1分布式子系统设计

2.1.1幼儿看护

幼儿看护主要是防止走失，系统设计了基于蓝牙接收的信号强度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）测距的电子牵绳。系统中，幼儿佩戴基于低功耗蓝牙芯片的DA14580的蓝牙主设备，监护人利用智能手机充当蓝牙从设备。当幼儿与看护人距离超高设定值，如5m时，报警器立即响起，提醒监护人注意。

2.1.2儿童监护

防止儿童误入危险区域，主要方法是进行定位，并设置电子围栏，产品依智能手表形式设计，为提高可靠性，采用GPS和北斗导航系统，并结合基站和WiFi定位。智能手表将定位信息发送给后台服务器，由后台服务器依据设定的电子围栏判定危险级别。考虑到学生实际情况，为降低功耗，可照作息时间设置只在上学路上进行定位监护。

2.1.3成年人运动提醒

成年人主要是需进行运动提醒，并及时补充水分。因为绝大部分成年人都配备智能手机，手机集成了所需的运动检测方面的各种传感器，所以并不需特别的其他硬件支持，只需开发专门的APP程序即可，用于检测每天运动，及时进行久坐提醒。

2.1.4老年人监护

老年人是整个家庭管理系统的难点，需要检测多项指标，考虑到检测位置、传感器安装控件、功耗、通信与成本等因素，本系统主要检测了心率、血压、血氧、位置以及运动姿态等数据。老年人监护子系统由智能手环、智能鞋与智能手机构成。手环主要检测心率；智能鞋，智能手机中的运动传感器用于检测老人的状态，有利于提高判定摔倒状态的准确性。血压与血样检测一般在家每天测一次即可，不需做成可穿戴设备。手环、智能鞋、手机3个设备之间采用蓝牙通信，由智能手机收集数据并作出初步判定后，将结果以短信形式发往后台服务器。

2.2后台服务设计

后台服务器采用普通PC机，考虑到传输的数据包小，数据量少，各子系统与后台数据传输采用短信通知方式，使用第三方短信平台与其他子系统进行实现通信。系统设计了一个基于VC的后端服务程序，通过串口与短信平台进行数据交换。后台服务器集中显示处理各子系统发送来的数据，并及时向系统负责人推送重要信息。为了进一步了解家庭成员的身体状态，为制定健身计划或为医疗诊断作出参考，系统建立了家庭健康档案，将健康监视数据存入了本地数据库。数据库采用Access，使用ODBC驱动，程序运行界面如图2所示。当在列表中选择家庭成员时，立刻显示最新相关数据如心率、姿态等，并更新地图位置。如有紧急情况，则状态栏会立刻显示异常情况，这时后台人员可以立刻采取救护措施，如果是成人，则给出的数据是运动情况、久坐时间、能量消耗，并给出健康指导。

3结语

本文研究了当前居家养老中所面对的主要问题，分析了各年龄段对健康安全的需求，充分利用当前成熟的技术手段和现有设备，设计了一种低成本、易实现的分布式智慧家庭健康管理系统，具有较好的实用性和市场推广价值。

[参考文献]

[1]朱学贵，朱学才.人口老龄化对资本市场的影响探究[J]中国市场，2017 （10）：70-73

[2]2IIC各初代手环发展史[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.可穿戴运动健康监护产品研究——以智能手环为例[J]工业设计，2016 （9）：65-66.

[4]许丽娟，欧阳伟坚，刘裕，等.大数据与智能手环[J].智能城市，2016 （2）：29-33

[5]孙焱，戴启锐.可穿戴设备与医疗健康产业关系研究及发展趋势分析[J].中国数字医学，2015（8）：25-28