基于智能机器人平台的家庭健康监测系统设计与开发

付彪，叶华山，江迅，唐其柱

1. 武汉大学人民医院，湖北 武汉 430060；2. 湖北科技学院 生物医学工程学院，湖北 咸宁 437100

引言

随着中国进入老龄化社会，庞大的老龄化人口需要更大的空间和时间范围内的医疗保健服务，给我国的卫生保健体系带来了巨大的挑战[1-3]。另外，居民生活水平的提高，对医疗保健的需求也越来越多，然而我国优质医疗资源分配不均，家庭医疗产品价格昂贵，普通家庭不能承受其价格[4-5]。物联网、远程医疗、人工智能技术的进步使现有的医疗模式从以医院为主体慢慢转变为基于物联网技术的家庭医疗、个人医疗为主体，患者能在线得到专业医生的指导和及时的医疗服务，从疾病治疗转变为疾病预防[6-9]，不但减轻了家庭医疗费用负担，同时也能减轻了我国社会医疗系统的压力。

智能机器人具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具备高度灵活性的医疗应用平台[10-11]。基于智能机器人平台的家庭健康监测系统是一种低成本、多功能的智能系统。通过传感器端采集环境数据和家庭成员生理数据，长时间移动跟踪、分析、评估家庭成员健康状况，当老年人的生理数据出现异常时，本系统可通发出警告信息，提醒家庭成员及时调整状态或就医，及时发现病情，避免小病发展为大病，减少家庭医疗费用支出。系统可应用于分级诊疗的终端，将采集的各种数据通过网络传输给上级医院，实现数据共享。

1 系统架构与设计

系统设计包括：数据采集、数据传输、数据分析、数据显示、智能药箱、移动平台和家用电器七个部分。主控板与温湿度模块、视频模块、可燃气体检测模块、火焰检测模块、PM2.5 模块、心率传感器、心电传感器、家用电器组成一个集多维度信息采集硬件前端。采集家庭环境数据和人体参数经传感器端收集后发送给系统，运行在树莓派机器人上的家庭健康监护系统通过端口取出数据，系统再进行数据存储、分析、显示及触发下一个事件，见图1。数据在家庭健康监测系统存储后，可由程序调出环境数据和生理数据，再进行数据相关分析。

图1 基于智能机器人平台的家庭健康监测系统框架图

系统将环境相关数据、分析结果在人机交互界面显示出来，智能药箱内置Wi-Fi 模块，由局域网接入监测系统。系统预设每天服药次数、服用剂量、服药时间等参数，通过语音和灯光信号提醒老人服药，避免因忘记服药，影响疾病治疗效果。有Wi-Fi 通信功能的电器，通过网关连接入家庭健康监测系统，没有通信功能的家用电器，可通过智能插座控制电器的开关功能，实现对电器的控制。移动平台可通过预先设置的程序驱动机械机构移动，跟着老人活动，并实时检测环境参数。当发生紧急情况时，移动健康监护系统通过网络发出警告信息到其他家庭成员以及社区医生的智能终端，便于医务人员及时收到通知，第一时间赶到现场。

2 系统硬件设计及功能实现

硬件包括移动平台和健康监护系统的设计，移动平台包含移动小车和核心主控板，由树莓派通过I2C 方式下达移动命令给Arduino，系统根据程序分析命令控制小车移动；健康监护系统硬件包括树莓派核心板、温湿度传感器、心率传感器、心电传感器、可燃气体传感器、粉尘传感器、火焰传感器和智能药箱。系统功能和结构图，见图2。

图2 系统功能和结构图

数据传输模块ESP8266 是一款低功耗、高集成度的Wi-Fi 芯片[12]，专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计。32 位Tensilica L106 32 位RISC 处理器，CPU时钟速度最高可达160 MHZ，支持实时操作系统和Wi-Fi协议栈，可将高达80%的处理能力留给应用编程和开发，高集成度，集成了32位Tensilica处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频、功率放大器、低噪声放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需7 个外围元器件，超宽工作温度范围：-40℃～ +125℃，且能够保持稳定的性能，适应各种操作环境。联网平台基于树莓派3B+开发板，运行Raspbian系统。

数据采集模块包括温湿度采集、心率采集、心电采集等。其中，温湿度模块采用Si7021 传感器，传感器采集的数据经过滤波放大后传输到ESP8266，ESP8266 经过Wi-Fi 将数据传输到无线路由器，无线路由器再将数据转发到物联网系统的端口[13]。物联网系统通过端口抓取数据包，进行数据的存储、分析、显示及触发下一个事件。心率采集模块使用Pulse Sensor 传感器，该传感器集成脉搏和心率的模块，采用光电容积法测量脉搏[14]。设置触发值，当心率不在设定的正常范围时，触发事件，发送警告信息给其他家庭成员或社区医生，可及时发现早期疾病。心电模块使用AD8232 传感器，该传感器具有高精度、使用广泛、体积小等优点，具有导联脱落监测功能、脱落后快速恢复，被广泛应用在心电检测的电子产品上[15]。心电采集模块采集心电信号，通过采集的心电信号可及时发现心肌梗塞、心脏病等发病的早期症状，进行早期治疗，减小突发疾病死亡的概率。

可燃气体检测模块、粉尘模块、火焰检测模块硬件选配，MQ-9 模块是一款检测可燃气体的传感器，使用的气敏材料是二氧化锡，采用高低温循环检测方式。低温检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳浓度增加而增加，高温检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体[16]。粉尘模块采用GP2Y1014AU 模块，该模块可检测微小粒子，感知烟草产生的烟气和花粉、房屋粉尘等，具有体积小、重量轻、便于安装和成本低等优点。当粉尘浓度达到预设值时，触发系统事件，给家庭成员发送警告信息，提醒粉尘浓度过高，并打开空调或空气净化器等设备，减小家庭环境中的粉尘浓度，减小家庭成员患呼吸系统疾病的概率。当检测到发生火灾时，触发系统事件，系统给家庭成员发送警告信息，家庭成员接收到信息后可快速报警，便于消防人员第一时间到达现场，以此减小家庭成员生命受到威胁的概率，降低家庭财产的损失。

3 系统软件开发

健康监测系统软件包括操作系统、Domoticz 系统烧录流程、数据库、Web 服务软件、移动端APP 软件等[17]。本设计操作系统是物联网平台运行Raspbian 系统，基于Debian 开发，特意根据Raspberry 硬件编写相关驱动和支持包。Domoticz 是一个开源的智能系统，它可以监测和控制各种设备，还可以向任一移动设备发送通知和警告，用户界面是一个可扩展的HTML5 网页，而且能够自动适应桌面浏览器及移动设备，兼容主流浏览器，支持各种协议和硬件。本项目的物联网平台基于Domoticz 系统，使用Python 进行二次开发。ESP8266 烧录固件流程，安装USB to UART Derive 程序，使用CH340 数据线将ESP8266 连接到电脑上，用Flash ESP8266 软件将固件烧录到ESP8266电路板。Web 服务采用当前流行的MVC 架构，JAVA 作为开发语言，部署在Web 服务器上。用于存储从传感器采集的数据，及为用户提供医疗信息服务。APP 软件基于Android、H5 和Javascript 作为开发语言。通过移动终端访问和管理机器人健康服务系统，用户能实时了解家人的健康状况。从传感获取的数据，不能长期保存，给老年人的健康状态查看和分析带来了困难，本项目采用Python 程序，将获取的实时数据及时地写入到数据库。

4 测试与结果展示

家庭健康监测前端系统软硬件设计完成后，接着需要对系统的各部分进行功能测试，以验证其是否正常，家庭健康监测采集前端系统最终实物，如图3 所示。首先将系统程序下载完成后，对监护终端上电，观察系统运行情况，依次检验系统初始化是否正常，生理参数测量模块是否正常，交互的主UI 界面是否显示正常。

图3 家庭健康监测前端硬件制作实物图

人体多参数采集前端系统硬件驱动初始化均正常，符合检测要求，系统正常初始化。接着，SD 卡内存放的系统APP 图标进行绘制功能界面，系统生理采集板的心电和血氧模块分别进行测量检测，测量检测结果如下图4 所示。

为了便于将家庭健康监测系统前端接入智能机器人平台，在使用核心板时，会配置一个展板，用于实现局域网传输数据以及体征监测、环境监测、视频监控、语音聊天、异常警报功能。移动平台驱动机构使用四轮小车，结合CSI 接口免驱动程序的摄像头，可实时跟踪被监测者，如有跌倒或长时间不移动会智能识别，如图5 所示。

图4 血氧、心电检测

图5 基于智能机器人平台的家庭健康监测系统展示

5 结语

本系统基本完成了从传感器采集数据、无线局域网的数据传输、数据显示到家庭健康监测系统的搭建，实现温湿度传感器的数据在系统上的实时显示。本设计方案有三个设计亮点：① 系统使用多种传感器采集家庭环境数据和成员生理数据，不只是单独的采集环境数据，能根据数据结果反馈控制家电，实现家电的自动化，优于市场上出现的除了采集环境数据进行显示、很少有后续的触发事件的监测系统；② 采用ESP8266 组网方案，实现家庭局域网内的数据采集、家电控制。系统可通过增加ESP8266 节点将众多传感器、家电连入家庭健康监测系统，还可以进一步开发完善手机APP 远程控制系统；③ 该系统可以作为分级诊疗的终端使用，将便携式的健康监护设备接入家庭健康监测系统，实现远程诊断、数据共享的功能。

同时，我们也希望对系统进行进一步地完善，比如在系统软件开发方面，开发实时动态的UI 数据显示软件，让数据以更加人性化的方式显示。家庭健康监测系统可以通过软件开发接入社区医院等医疗机构，让专业医师评估家庭成员健康状况。家庭健康监测系统随着相关功能的完善，必将呈现出更多的实用价值。