物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究

袁明　須文波

摘 要：目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展已經(jīng)沖擊了社會(huì)的方方面面，人們的生活方式也在隨之改變，很多傳統(tǒng)的方法和技術(shù)都需要引入物聯(lián)網(wǎng)等新科技來提升其存在的價(jià)值，從而實(shí)現(xiàn)行業(yè)的整體進(jìn)步。研究就傳統(tǒng)血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的諸多弊端，提出利用基于KEIB-Stack協(xié)議棧的通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，并提出一種基于具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法的血壓數(shù)據(jù)分析技術(shù)，解決了基于傳統(tǒng)血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞和處理的問題，大大提高了健康護(hù)理的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，可以實(shí)際應(yīng)用于個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、個(gè)人健康預(yù)警、醫(yī)院臨床診斷等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：血壓監(jiān)護(hù)；健康護(hù)理；KEIB-Stack協(xié)議；QPSO算法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

人體血壓是一個(gè)動(dòng)態(tài)的生理指標(biāo)，為了得到較為準(zhǔn)確的血壓測量結(jié)果并及時(shí)進(jìn)行健康預(yù)警，需要對(duì)血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是對(duì)于血壓不夠穩(wěn)定的特殊人群。傳統(tǒng)的血壓監(jiān)護(hù)主要有兩種方式，一種是僅測定一次，即在一次測量結(jié)束后直接顯示出測量結(jié)果，此時(shí)得到較準(zhǔn)確測量結(jié)果的概率很低；另一種方式是預(yù)先設(shè)定某個(gè)大于1的數(shù)值為本次測量的測量次數(shù)，并按設(shè)定的次數(shù)進(jìn)行測量，所有測量都結(jié)束后再按預(yù)先設(shè)定的算法（如求平均值等簡單算法）計(jì)算出測量結(jié)果，由于這種測量方法的測量次數(shù)已預(yù)先設(shè)定，浪費(fèi)了血壓較為穩(wěn)定的測量者的測量時(shí)間，同時(shí)血壓波動(dòng)大的測量者又可能需要在預(yù)設(shè)值的基礎(chǔ)上再增加相應(yīng)的測量次數(shù)，從而找到更準(zhǔn)確的測量結(jié)果，而且血壓儀本身的數(shù)據(jù)處理能力受限，無法進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析，在結(jié)果處理上也存在不完善之處。因此，為了得到更全面準(zhǔn)確的血壓分析處理數(shù)據(jù)以提供臨床診斷，本研究在傳統(tǒng)的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行大規(guī)模分析處理。

本研究的內(nèi)容主要涉及兩個(gè)方面，即血壓數(shù)據(jù)的傳輸和處理。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的KEIB-Stack協(xié)議棧為無線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)血壓數(shù)據(jù)從血壓采集設(shè)備到系統(tǒng)后臺(tái)的實(shí)時(shí)傳輸；在數(shù)據(jù)處理方面，采用了具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法（QPSO），對(duì)大量連續(xù)的血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行大規(guī)模分析，實(shí)時(shí)輸出處理結(jié)果，給予個(gè)人健康預(yù)警和醫(yī)生臨床診斷參考。

1 基于KEIB-Stack協(xié)議棧的數(shù)據(jù)通信

KEIB-Stack協(xié)議棧是無線通信領(lǐng)域的一種創(chuàng)新性開發(fā)，在KEIB-Stack系統(tǒng)中，總線接法是區(qū)域總線下接主干線，主干線下接總線，系統(tǒng)允許有15個(gè)區(qū)域，即有15條區(qū)域總線，每條區(qū)域總線或者主干線允許連接多達(dá)15條總線，而每條總線最多允許連接64臺(tái)設(shè)備，這主要取決于電源供應(yīng)和設(shè)備功耗。每一條區(qū)域總線、主干線或總線，都需要一個(gè)變壓器來供電，每一條總線之間通過隔離器來區(qū)分。在整個(gè)系統(tǒng)中，所有的傳感器都通過數(shù)據(jù)線與制動(dòng)器連接，而制動(dòng)器則通過控制電源電路來控制電器。所有器件都通過同一條總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，傳感器發(fā)送命令數(shù)據(jù)，相應(yīng)地址上的制動(dòng)器就執(zhí)行相應(yīng)的功能。此外，整個(gè)系統(tǒng)還可以通過預(yù)先設(shè)置控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)功能，如組命令，邏輯順序，控制的調(diào)節(jié)任務(wù)等。同時(shí)所有的信號(hào)在總線上都是以串行異步傳輸（廣播）的形式進(jìn)行傳播，也就是說在任何時(shí)候，所有的總線設(shè)備總是同時(shí)接收到總線上的信息，只要總線上不再傳輸信息時(shí)，總線設(shè)備即可獨(dú)立決定將報(bào)文發(fā)送到總線上。KEIB-Stack電纜由一對(duì)雙絞線組成，其中一條雙絞線用于數(shù)據(jù)傳輸（紅色為CE+ 黑色為CE-），另一條雙絞線給電子器件提供電源。KEIB-Stack協(xié)議棧有三種結(jié)構(gòu)：線形、樹形和星形。

本研究涉及的基于KEIB-Stack協(xié)議棧的設(shè)備支持該傳輸介質(zhì)使用無線電信號(hào)來傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。信號(hào)傳輸頻寬為868 MHz（短波設(shè)備），最大發(fā)射能量為25 mW，比特率為16.384 KB/s。KEIB-Stack RF介質(zhì)可以離開機(jī)架組件進(jìn)行開發(fā)，它允許單向和雙向工作，特點(diǎn)是低耗能和小型及中型裝置僅需要在特殊情況時(shí)重傳，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

2 基于具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法（QPSO）的數(shù)據(jù)處理模型

基于具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法（Quantum Particle Swarm Optimization）是近年來Jun Sun等人把量子理論應(yīng)用于PSO算法而提出的改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法，較PSO算法更加簡單，易實(shí)現(xiàn)，且求解速度更優(yōu)。QPSO 算法不僅參數(shù)個(gè)數(shù)少，隨機(jī)性強(qiáng)，并且能覆蓋所有解空間，保證算法的全局收斂性。應(yīng)用基于具有量子行為的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

（1）研究分析對(duì)象，確定適應(yīng)值函數(shù)，對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行插裝；

（2）設(shè)定粒子數(shù)M，維數(shù)Dimension，最大允許迭代次數(shù)MAXTIER，φ1，φ1和β，初始化種群中每個(gè)粒子的位置向量；

（3）設(shè)定循環(huán)處理最大迭代次數(shù)；

（4）使用量子粒子群中的每個(gè)粒子來執(zhí)行對(duì)象插裝后的程序，根據(jù)粒子運(yùn)行結(jié)果評(píng)定粒子的適應(yīng)度：

If （ F（xi） < F（pi） ） then pi = xi

pg = min（ pi ）

（5）for i=1 to種群規(guī)模M，計(jì)算mbest 的值；

（6）for d=1 to種群維數(shù)D，按照（4）計(jì)算P；

（7）u=rand（0，1），當(dāng)u>0.5，xid= P-β *|mbest-X （t） |* ln（1/u），當(dāng)u≤0.5，xid= P + β * |mbest-X （t）| * ln（1/u），直到搜索到最佳數(shù)據(jù)或t=MAXTIER。

其中pi為第i個(gè)粒子的最優(yōu)適應(yīng)值，pg為量子粒子群的最優(yōu)適應(yīng)值。x= （x1，x2，…，xn），xi是第i個(gè)粒子的位置向量，QPSO算法中唯一的參數(shù)β隨迭代次數(shù)線性遞減。

QPSO算法能提供大量數(shù)據(jù)的快速收斂，在得到數(shù)據(jù)最優(yōu)值的同時(shí)保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果輸出的實(shí)時(shí)性。

3 一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的具體實(shí)施

本研究設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，其工作原理為：利用傳統(tǒng)的血壓采集裝置（如水銀血壓計(jì)、電子血壓儀等）對(duì)人體血壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的連續(xù)采集，通過在采集裝置中植入ARM芯片使之具備獲取血壓值及無線通信的功能，并利用自主開發(fā)的KEIB-STACK協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，在服務(wù)器上采用QPSO（量子行為的粒子群優(yōu)化算法）進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析和處理，及時(shí)給出分析結(jié)果及健康預(yù)警。系統(tǒng)模型如圖1所示（圖中的編號(hào)為模塊編號(hào)）。

圖1 一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)模型

圖1中，基于KEIB-Stack協(xié)議棧的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，分別為傳統(tǒng)血壓采集裝置1、ARM芯片2及后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊3。其中ARM芯片2由中央處理器5、傳感器數(shù)據(jù)獲取接口4、ROM存儲(chǔ)器6及無線通信接口7組成。

傳統(tǒng)血壓采集裝置1的作用是采集人體血壓數(shù)據(jù)；ARM芯片2的作用是獲取血壓數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行簡單處理后傳輸給后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊3；其中中央處理器5負(fù)責(zé)向傳統(tǒng)血壓采集裝置1發(fā)送血壓采集指令，判斷丟棄采集的數(shù)據(jù)信息中的異常數(shù)據(jù)，并控制數(shù)據(jù)向后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊3的傳輸；傳感器數(shù)據(jù)獲取接口4負(fù)責(zé)從傳統(tǒng)血壓采集裝置1中實(shí)時(shí)獲取血壓數(shù)據(jù)并傳送給中央處理器5；ROM存儲(chǔ)器6負(fù)責(zé)暫時(shí)存儲(chǔ)從傳感器數(shù)據(jù)獲取接口4獲取到的數(shù)據(jù)；無線通信接口7負(fù)責(zé)將經(jīng)中央處理器5處理后的數(shù)據(jù)使用Keib-Stack協(xié)議傳輸至后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊3；后臺(tái)數(shù)據(jù)處理模塊3的作用是使用QPSO算法分析傳輸來的數(shù)據(jù)信息，并給出處理結(jié)果或健康預(yù)警信息。系統(tǒng)具體實(shí)施過程如下：

（1）在傳統(tǒng)的血壓采集裝置（如電子血壓儀等）中植入ARM芯片，該芯片具有中央處理器模塊，用于發(fā)送信號(hào)給傳統(tǒng)血壓采集裝置，控制其采集數(shù)據(jù)，并判斷獲取的數(shù)據(jù)是否為異常數(shù)據(jù)（如與相鄰次測量的值相差超過10的數(shù)據(jù)采取丟棄策略）；具有傳感器模塊，用于獲取傳統(tǒng)血壓采集裝置采集的數(shù)據(jù)；具有ROM，用于暫時(shí)存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，用于中央處理器的簡單分析；具有無線通信模塊，提供基于Keib-Stack協(xié)議棧的無線通信接口，用于將數(shù)據(jù)傳輸至后臺(tái)處理設(shè)備。

（2）測量開始后，傳統(tǒng)血壓采集裝置根據(jù)ARM芯片的指令采集人體血壓，并把采集的數(shù)據(jù)通過傳感器接口傳遞給ARM芯片，ARM芯片對(duì)獲取的數(shù)據(jù)暫存在ROM模塊中。

（3）ARM芯片把多次測量后的數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)進(jìn)行丟棄，其余數(shù)據(jù)通過無線通信模塊使用Keib-Stack協(xié)議傳輸給后臺(tái)處理設(shè)備。

（4）后臺(tái)處理設(shè)備對(duì)收到的數(shù)據(jù)采用QPSO算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，得到一組當(dāng)前狀態(tài)下的連續(xù)的最佳血壓值參數(shù)，與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的值進(jìn)行比較分析，給出臨床診斷的參考意見（如健康狀態(tài)、冠心病傾向等）。

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果討論

為了證明本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性方面的優(yōu)勢，本研究選取了目前市面上認(rèn)為比較成熟兩款血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取了30名人員做為被測對(duì)象。

（1）被測對(duì)象基本情況

被測的30名人員按性別、年齡和血壓情況分成3組（命名為組1、組2和組3），分別佩戴三種血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備（對(duì)應(yīng)命名為設(shè)備1、設(shè)備2和設(shè)備3），每組的10名人員基本情況大體相同：男女性別比為1：1；年齡分布為18-20歲2名，20-30歲4名，31-40歲2名，60歲以上2名；平時(shí)血壓情況為6名正常，2名高血壓，2名低血壓；

（2）參與測試的血壓監(jiān)護(hù)設(shè)備基本情況

參與測試的設(shè)備1為國內(nèi)某知名品牌的血壓測試儀，腕表形式，需手動(dòng)操作進(jìn)行血壓測量，測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在血壓儀內(nèi)；設(shè)備2為血壓監(jiān)護(hù)儀，腕表形式，可以間隔固定時(shí)間自動(dòng)測量血壓，并通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將測試數(shù)據(jù)發(fā)送到指定服務(wù)器；設(shè)備3為本研究設(shè)計(jì)的血壓監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，也為腕表形式，可以自動(dòng)測量連續(xù)血壓，在被測者血壓不穩(wěn)定的情況下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)縮短測量間隔時(shí)間，每次測量的數(shù)據(jù)通過KEIB-Stack協(xié)議傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行處理。

（3）實(shí)驗(yàn)過程

早上8時(shí)左右，被測人員佩戴好血壓測試腕表并測試到第1次血壓數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)驗(yàn)開始，共持續(xù)16小時(shí)。在此期間，被測人員分別進(jìn)行了吃飯、慢走、快走、慢跑、快跑、看書、看體育比賽、交談、睡覺等活動(dòng)。使用系統(tǒng)1的組1被測人員在從事每項(xiàng)活動(dòng)時(shí)手動(dòng)進(jìn)行血壓測量，組2和組3被測人員無需對(duì)血壓儀進(jìn)行任何操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，組1的測試數(shù)據(jù)通過血壓儀逐條讀取，組2和組3的數(shù)據(jù)通過后臺(tái)服務(wù)器直接讀取。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)備1由于不具備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，其無論在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性還是數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性方面都沒有任何優(yōu)勢，限于篇幅，本文不再討論其數(shù)據(jù)結(jié)果（引入設(shè)備1的主要目的是對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行比較），下面將重點(diǎn)對(duì)比分析設(shè)備2和設(shè)備3在實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示（本表中的數(shù)據(jù)為1組10人的平均值）。

從表1可以看出，本研究設(shè)計(jì)的設(shè)備3能根據(jù)使用人員的具體情況動(dòng)態(tài)調(diào)整血壓測試頻率，并在KEIB-Stack信號(hào)覆蓋區(qū)域內(nèi)以幾乎可以忽略的延時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器，其無論在數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性方面，還是在數(shù)據(jù)采集、處理的準(zhǔn)確性方面，相比目前市面上流行的設(shè)備2都有較大優(yōu)勢。另外，盡管設(shè)備3的測量次數(shù)更多、算法也更復(fù)雜，但其ARM芯片在耗電量上的表現(xiàn)卻毫不遜色，這主要得益于KEIB-Stack協(xié)議的低耗能性，另一項(xiàng)耗電性實(shí)驗(yàn)表明，同樣容量的電池在設(shè)備2和設(shè)備3上的使用時(shí)間幾乎沒有區(qū)別。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)實(shí)情況來看，目前本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)在于KEIB-Stack信號(hào)覆蓋范圍較小，在無KEIB-Stack信號(hào)覆蓋的區(qū)域仍只能通過移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)等其它方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)于實(shí)時(shí)性方面的影響較大。當(dāng)然，隨著KEIB-Stack協(xié)議的普及，這個(gè)問題就迎刃而解了。

5 結(jié) 語

綜上所述，本研究設(shè)計(jì)了一種人體血壓監(jiān)護(hù)的軟硬件系統(tǒng)，主要涉及物聯(lián)網(wǎng)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域，所述系統(tǒng)在測量連續(xù)穩(wěn)定血壓的基礎(chǔ)上，提出了一種基于KEIB-STACK協(xié)議棧的數(shù)據(jù)傳輸方法和一種使用量子行為的粒子群優(yōu)化算法（QPSO）的數(shù)據(jù)處理方法，體現(xiàn)了血壓監(jiān)護(hù)的實(shí)時(shí)性，并能對(duì)連續(xù)多個(gè)血壓值進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)于與人體血壓值相關(guān)的疾病的提前預(yù)判有一定參考價(jià)值。當(dāng)然，由于本系統(tǒng)尚未得到廣泛推廣應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸使用的KEIB-Stack信號(hào)的覆蓋范圍十分有限，且后臺(tái)數(shù)據(jù)庫可用的數(shù)據(jù)量不大，因此還需要在推廣過程中結(jié)合臨床診斷的數(shù)據(jù)不斷建設(shè)和完善。今后，本研究將在此基礎(chǔ)上展開進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，針對(duì)人體血氧、血糖、心率等健康指標(biāo)設(shè)計(jì)一系列模塊，并最終整合為基于物聯(lián)網(wǎng)的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

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