基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统设计与实现研究

申超群 周航

摘要：随着科技的进步，互联网技术越来越发达，互联网+ 医疗健康是目前形势下一种健康管理的创新模式，另外，儿童健康与保健服务不仅是社会重要关注点，而且也是卫生服务领域的重要组成部分。本文通过深入调查中国儿童的生理特征及健康情况，以及常发疾病的种类及详细特征，运用物联网与大数据、云计算、人工智能、移动互联网等信息技术，进行儿童健康监测、儿童舌象智能识别与诊断、儿童健康监测智能评估与预警系统、儿童健康大数据监测云平台开发、移动终端应用等研究，建立一套全面反映儿童健康状态的评估及预警理论体系。

关键词：物联网大数据;“互联网+”医疗健康;儿童健康智能管理

引言：现有的儿童健康监测主要是通过医务人员利用传统的测量方法进行健康监测，用纸质记录并存档，这种方式具有数据容易丢失，并且不易翻阅等缺点，更大的问题在于家长不能实时获得孩子的健康信息，不能及时守护孩子的健康。随着云虚拟技术的飞速发展，云存储不仅能够无限量的存储海量的数据，并且数据的安全性与隐密性得到了极大的保证，因此，利用智能硬件与云存储等物联网技术，不仅能够让家长实时监测到孩子的健康状态，还更好地能满足健康大数据的管理与隐密性[1]。

一、研究现状及意义

（一）研究现状

德国是欧洲开展居民综合健康监测较早的国家之一，其针对本国居民健康的监测系统具有系统性、长期性和科学性的特点，尤其是按照不同人群年龄及其阶段特征进行了科学划分。2003年建立的“德国儿童青少年健康访查调研项目（KiGGS）”是在前期成年人综合健康状况长期追踪研究的基础上开展的又一项针对0～17岁人群体质健康状况纵向研究的调查体系[2]。

随着“互联网+”时代的到来，儿童健康监测迎来了新的发展模式。2015年在政府工作报告中，李克强总理首次提出了制定“互联网+”计划，指出了“推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业的结合，促进电子商务、工业互联网和互联网金融健康发展，引导互联网企业拓展国际市场”。目前已有的运用互联网技术的医疗模式是让人们在寻求医疗救助时，通过多种求医途径的选择，取得更好的效果，这已成为一种医疗保健服务和医疗救护的新模式，开始改变了人们传统的医学观念，就医方式，诊疗行为及医学科研模式等。智慧儿童健康监测系统通过将传统思维和互联网思维的结合，用技术联合的方法，最终实现多个方面多种功能“1+1>2”的良好效果[3]。

现有的健康监测装置都只是监测了一些基本的人体生理数据，并且存在大部分健康数据都是通过估算所得，这并不能真正的反映人体健康情况。随着近几年我国大力发展传统医学，中医的优势正在慢慢突显出来，仅仅通过“望闻问切”就能知晓身体内部的健康状态，这种诊断方式及其适合现代移动医疗便捷式的需求，同时传统中医的医学理论极大的符合现代健康最关注的个性化健康管理的需求。因此，深度融合现代医学儿童健康与传统医学儿童健康两种医学体系，构建一套能够真正反映身体健康状态的智慧儿童健康状态评价方法，运用大数据技术，智能分析健康变化趋势，防微杜渐，能够极大的弥补当前儿童健康监测与儿童医疗诊断的不足，具有十分深远的影响。

（二）研究意義

儿童属于需要特殊保护人群，儿童健康是民族健康的重要基础。根据统计发现，从20世纪90年代起，儿童死亡的降低率已经获得了很大的进展，这体现出国家和家庭对儿童健康的重视。儿童健康与保健服务不仅是社会重要关注点，而且也是卫生服务领域的重要组成部分，在衡量一个国家社会、经济、文化全面发展的指标中，儿童健康的服务与管理水平也是其中重要一环。随着全面二胎政策的实施，新生儿的数量将会大幅度增加，同时儿科医疗资源的供需矛盾日益突出，儿科就医“难上加难”。定期给孩子做健康检查可以随时了解孩子的生长发育和健康状况，早期发现孩子生长异常和疾病，使家长尽早采取相应措施进行干预，指导家长做好科学育儿及疾病预防工作，可促进儿童健康成长，缓解患儿多医生少的医疗现状。

随着科技的进步，互联网技术越来越发达，互联网+ 医疗健康是目前形势下一种健康管理的创新模式，它不仅可以提供患者的疾病风险评估，帮助患者认清自身的健康情况，进行科学有效的疾病预防，而且也可以帮助患者在院内就医时，使就医流程进一步优化。因此，发挥互联网+ 医疗健康的优势，综合运用云技术，研究儿童健康监测系统具有十分重要的意义。

本论文利用移动诊疗技术、健康物联网技术、大数据云计算技术和可穿戴信息采集终端，能够加快推进“互联网+”模式下的新型诊疗、医养结合、个性化健康保障、中医“治未病”等服务的新模式、新业态的发展，对于建立医患直接沟通、诊断、干预的网络创新平台并开展多元化医疗服务模式示范，促进不同层级医院的整合服务和区域协同，构建覆盖医院、社区、家庭、个体的闭环持续性疾病管理模式，构建“互联网+”医疗健康科技示范，有着十分重要的现实意义。

论文研究与“十三五”卫生与健康科技创新专项规划的国家战略规划项目相吻合，必将推进中国儿童健康监测体系建设，为健康标准的制定和政府健康管理提供重要依据，促进国家健康管理工作的高效有序进行。

二、基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统设计

基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统设计研究，是通过深入调查中国儿童的生理特征及健康情况，以及常发疾病的种类及详细特征，建立一套全面反映儿童健康状态的评估及预警理论体系。

本文全面运用了物联网与大数据、云计算、人工智能、移动互联网等信息技术，攻克儿童健康监测、儿童舌象智能识别与诊断、儿童健康监测智能评估与预警系统、儿童健康大数据监测云平台开发、移动终端应用等技术难题;依靠健康大数据，融合现代医学儿童健康与传统儿童医学健康两种医学体系，开展医学大数据分析和机器学习等技术研究，构建出智慧儿童健康监测系统，进而研发出一套面向儿童的一体化智能健康监测装置。包含以下四大模块。

（1）     儿童健康监测

在现有健康监测的基础上，建立个人基本信息档案、采集儿童身体数据信息并加工反馈、构建规范化儿童健康大数据监测平台、儿童健康监测移动终端的建立等来实现“监测+ 记录+ 家长知道+ 医师分析”的系统。

（2）     儿童舌象智能识别与诊断

考虑到儿童舌像的捕捉检测难度，在现有的人脸识别方式基础上，研究采用YOLOV3算法对人脸识别和舌象进行检测，并用Python语言编写的上位机上展示完成，并在后台进行数据分析。

（3）     儿童健康监测智能评估与预警系统

采用复合传感器对儿童健康进行准确监测，并通过与健康数据的比对评估，进行分析预警。

（4）     儿童健康大数据监测云平台开发、移动终端应用

采用物联网监测云平台的三层机构，通过将感知层获取的生理测量参数通过网络层的高效传输传送到应用层的App端和网页监测端。

三、基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统设计实现

（一）系统设计方案

为实现“监测+ 记录+ 家长知道+ 医师分析”的系統方案，基于物联网大数据的儿童健康管理系统设计框图如图1 所示。

其主要分为以下几个步骤：

（1）     建立个人基本信息档案。针对儿童健康监护不足的问题，深入调查中国儿童的生理特征及健康情况，以及常发疾病的种类及详细特征，全面运用传感器、嵌入式系统控制及图像处理与分析、物联网与大数据、云计算、人工智能、移动互联网等信息技术，开展智能儿童健康监测系统的研究设计;

（2）     采集儿童身体数据信息并对数据进行预处理。综合利用传感器与图像技术采集儿童的口腔舌苔图像、面部图像、肤表体温、心电图、心率、体重和身高信息，并使用相应的处理电路对采集数据进行预处理，微处理器将存储数据打包加密，通过无线传输，将数据打包发送至健康大数据云平台;

（3）     构建规范化儿童健康大数据监测平台。结合云计算、数据挖掘、图像识别、机器学习等方法，融合现代医学儿童健康与传统儿童医学健康两种医学体系，对输入数据进行分析，将结果带入到健康大数据评价模型，得出最准确最合理的健康状态评价结果，完成健康大数据监测云平台开发研究;

（4）     儿童健康监测移动终端的建立。通过无线通讯网络将儿童健康结果发送至用户的智能终端，以图表形式可视化的将结果展现给用户，用户能够查看实时与历史的各项生理健康数据，当综合健康评价结果判定儿童的某项指标异常时，将该异常的详细信息发送至家长或监护人的智能终端。

（二）模块的设计与实现

从实际工程角度出发，为了满足基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统的总体要求，设计一款儿童健康管理机器人平台。该平台主要能满足儿童基本健康指标的监测，智能地对不同儿童面部进行人脸识别，在与儿童互动的“做鬼脸”游戏中智能采集舌苔图像，并通过物联网的方式将相应的数据进行传输到指定家长手机上和医师后台，家长能实时获取孩子的健康指标状态，医师能进行分析并推送相应诊断建议，从而形成一整套人性化的可用、可观、可监测、可分析的智慧健康管理系统。

基础体测评估系统是基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统的感知层部分，主要涉及传感器、嵌入式等技术。整个基础体测评估系统通过采集基础的生理特征参数，其主要包含身高、体重、体温、心率等，这些基础指标能快速直观的监测儿童的外在表征出的生理状况，如发烧感冒、肥胖指数、心律不齐的症状。

与此同时，为了保证采集数据的平稳准确，考虑到儿童的配合程度，采用语音交互的方式激励儿童按照指定来玩游戏。

人脸识别和舌象捕捉主要涉及人工智能及大数据技术，它是基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统的特色之一。它将当下十分流行的研究融入到实际应用之中，其中人脸识别包含人脸检测及人脸辨识;舌象捕捉识别包括了舌象检测、舌象抓取等。为了使整体的效果易于展现，人脸识别和舌象检测均使用YOLOV3算法，在Python语言编写的上位机上展示完成，人脸辨识部分和舌象分析在后台完成。

基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统的监测云平台设计涉及物联网与大数据、云计算与移动互联网等信息技术，它是本机器人的技术核心所在。物联网云平台设计旨在通过将感知层获取的生理测量参数通过网络层的高效传输传送到应用层的App端和网页监测端。本论文设计的物联网监测云平台采用常见的三层机构，从下而上包含感知层、传输层和应用层。

（三）结果与分析

通过本论文设计的基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统，能够达到以下指标。

（1）     心率、体温、升高、体重等数据获取准确，上下浮动不超过2%。

（2）     人脸识别具有较好的效果，能在光线亮和光线暗的情况下对人脸进行识别，准确率达到90%以上。

（3）     能准确地框选出舌象部分，并能在3 秒内快速获取图像。

（4）     比对结果可以通过微信小程序平台查看，并可将各项参数指标上传完成，医师后台能够对儿童反馈回的信息进行查看，并可以给出诊断建议。

结论：本文根据中国儿童的生理特征及健康情况，以及常发疾病的种类及详细特征，建立一套全面反映儿童健康状态的评估及预警理论体系，运用物联网与大数据、云计算、人工智能、移动互联网等信息技术，以攻克儿童健康监测、儿童舌象智能识别与诊断、儿童健康监测智能评估与预警系统、儿童健康大数据监测云平台开发、移动终端应用等技术难题，研发出了一套面向儿童的一体化智能健康监测装置。依靠健康大数据，融合现代医学儿童健康与传统儿童医学健康两种医学体系，开展医学大数据分析和机器学习等技术研究，构建出智慧儿童健康监测系统。在未来应用阶段，经过不断改进，基于物联网大数据的儿童健康智能管理机器人将更加智能化、更加规范化，更加科学化，并能得到广泛应用，不仅方便于儿童健康管理，也为健康产业带来新的经济机遇。

参考文献：

[1]   潘周光.基于PVDF压电薄膜的非接触式人体生理信号检测系统研究[D].南京信息工程大学2018

[2]   李延军，李莹辉，余新明.穿戴式健康监测设备的现状与未来[J].航天医学与医学工程.2016（03）

[3]   邱瀚.新形势下推进大数据应用的若干思考[J].科技创新与应用.2017（09）

作者简介：

申超群，1982.05，女，河南开封人，硕士研究生，副教授，研究方向：物联网大数据、智能控制、图像处理等

基金项目：1.河南省2020年科技发展计划（科技攻关）项目（项目号：202102210366，项目名称：基于物联网大数据的儿童健康智能管理系统设计与实现研究）;2.2019年度河南省高等职业学校青年骨干教师培养计划（项目号：2019GZGG100）;3.河南省教育科学“十三五”规划2020年度一般课题（项目号：2020YB0534，项目名称：PULL式供应链视角下高职设计类专业线场模式研究）;4.2019年教育教学改革研究与实践项目（项目号：JGC1918，项目名称：基于格斗机器人比赛的融课程研究）