基于RFID傳感技術(shù)的社區(qū)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李鑫 張孝峰 賈小林

摘要：隨著社會(huì)進(jìn)步和生活水平的提高，人們的健康保健也越來越受到關(guān)注。但由于社會(huì)資源的不足，醫(yī)療資源的配置存在著嚴(yán)重的不平衡問題，帶來了諸如“看病難”、“看病貴”、醫(yī)患關(guān)系緊張等諸多問題。該文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與中西醫(yī)診療手段，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的穿戴式社區(qū)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，用于采集使用者的個(gè)人生理信息，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID技術(shù)、藍(lán)牙無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€(gè)人終端進(jìn)行實(shí)時(shí)分處理，對(duì)用戶健康進(jìn)行監(jiān)測和管理。

關(guān)鍵詞：RFID;物聯(lián)網(wǎng);監(jiān)測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP273? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）16-0252-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Abstract： With the improvement of the living standards of the society， the health care of the people has also received more and more attention. However， due to the shortage of social resources， there are serious imbalances in the allocation of medical resources， which have brought many problems such as “difficulty in seeing a doctor”， “expensive medical treatment”， and tension between doctors and patients. This article combines the Internet of Things technology and Chinese and Western medicine diagnosis and treatment means， designed and implemented a wearable community health monitoring system based on the Internet of Things， used to collect users' Chinese medicine and Western doctors' information， through the Internet of Things technology RFID， Bluetooth and other communication technologies will Data is transmitted to the personal terminal for real-time monitoring， storage and data fusion.

Key words： RFID;the Internet of Things;Monitoring System

1 背景

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，科技日益進(jìn)步，近年來，居民的生活質(zhì)量不斷提高，居民個(gè)人保健意識(shí)增強(qiáng)，追求健康體質(zhì)的目標(biāo)也日益增長。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智慧醫(yī)療[1]已經(jīng)當(dāng)今社會(huì)備受關(guān)注的話題。智慧醫(yī)療是利用傳感器等信息識(shí)別技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)患者與醫(yī)務(wù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備間的互動(dòng)等，智慧醫(yī)療和日常生活息息相關(guān)，能夠顯著改善就醫(yī)條件。

近幾年我國政府非常重視物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[2]，在2009年5月23日，衛(wèi)生部首次召開了衛(wèi)生領(lǐng)域RFID應(yīng)用大會(huì)，并在《衛(wèi)生信息化發(fā)展綱要》中，把IC卡和RFID技術(shù)列入衛(wèi)生部信息化建設(shè)總體方案之中。但目前國內(nèi)醫(yī)療管理系統(tǒng)仍然不夠完善，存在著醫(yī)藥費(fèi)高、渠道少、覆蓋面低、醫(yī)院人滿為患、病人就診手續(xù)煩瑣、醫(yī)療信息不暢，醫(yī)療資源兩極化個(gè)醫(yī)療監(jiān)督機(jī)制不完善等等問題，一直影響著社會(huì)的和諧發(fā)展。

射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)感知層關(guān)鍵支撐技術(shù)，主要用于目標(biāo)對(duì)象標(biāo)識(shí)、識(shí)別、定位、追蹤等 [3]。RFID技術(shù)與傳感器相結(jié)合能夠有效控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的能耗，延長系統(tǒng)壽命[4]。本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于RFID傳感技術(shù)的社區(qū)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)采集用戶的生理信息，并對(duì)其數(shù)據(jù)融合處理和數(shù)據(jù)挖掘分析[3]，同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)用戶的健康狀況進(jìn)行判斷，提出相應(yīng)的健康建議和健康指導(dǎo)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于RFID傳感技術(shù)的社區(qū)健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)由用戶穿戴式終端、社區(qū)服務(wù)器和醫(yī)護(hù)服務(wù)器組成，如圖1所示。系統(tǒng)通過射頻傳感器獲取到用戶的生理信息數(shù)據(jù)，并經(jīng)過RFID系統(tǒng)和wifi網(wǎng)絡(luò)將生理數(shù)據(jù)傳送至社區(qū)服務(wù)器，接著轉(zhuǎn)發(fā)至醫(yī)護(hù)服務(wù)器，完成對(duì)用戶健康信息的采集，然后系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理和實(shí)時(shí)分析，監(jiān)測和判斷用戶健康情況，提出相應(yīng)的健康意見和健康指導(dǎo)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

用戶終端主要將采集到的生理健康信息傳送至醫(yī)護(hù)服務(wù)器[5]，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析融合，穿戴式終端監(jiān)測系統(tǒng)由于應(yīng)用環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、結(jié)構(gòu)以及管理等不同也會(huì)有所不同，本穿戴式終端健康監(jiān)測系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和可穿戴式生理量監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)兩部分組成。其節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 服務(wù)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

社區(qū)服務(wù)器接收來自各個(gè)用戶的原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理后向醫(yī)護(hù)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)，這樣分層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)減少少了醫(yī)護(hù)服務(wù)器的處理。醫(yī)護(hù)服務(wù)器監(jiān)測用戶數(shù)據(jù)，發(fā)生異常后，通過社區(qū)服務(wù)器向用戶發(fā)布設(shè)備命令。醫(yī)護(hù)服務(wù)器主要進(jìn)行健康數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫和特征數(shù)據(jù)庫的搭建，同時(shí)構(gòu)建通訊服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。通信服務(wù)主要用于接收社區(qū)服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)，同時(shí)為web服務(wù)器提供數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)流量和訪問量大，處理能力和計(jì)算能力也要相對(duì)增強(qiáng)。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用了分層的網(wǎng)絡(luò)層次設(shè)計(jì)，多臺(tái)社區(qū)服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連構(gòu)成了一個(gè)服務(wù)器集群。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，為了提高數(shù)據(jù)處理的速度，內(nèi)存數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫配合使用，在服務(wù)器集群內(nèi)使用高性能的Redis[6]。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

3.1 脈搏波數(shù)據(jù)分析及特征提取

曲線擬合是一種建立參數(shù)模型的方法，比起其他方法來更為直觀的可以觀察到數(shù)據(jù)的變化和趨勢。因?yàn)槊}搏波數(shù)據(jù)量大非線性的特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用高斯函數(shù)來擬合脈搏曲線。

一個(gè)周期的脈搏由許多個(gè)高斯函數(shù)來合成，每個(gè)參數(shù)都需要3個(gè)參數(shù)來確定，及幅度x，時(shí)間y，寬度S。所以用不同個(gè)高斯函數(shù)的組合來表示脈搏波：

一般人的脈搏波主要包括3個(gè)波峰，分別為主波波峰、重博前波、重博波。所以對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)有主峰高度、降中峽高度、重博波高度。通過求出脈波的極大值極小值，利用高斯擬合計(jì)算特征參數(shù)從而反映出人體的一些健康狀態(tài)。

3.2 脈搏波信號(hào)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別

前面對(duì)脈搏波信號(hào)做了特征提取后，現(xiàn)將對(duì)提取到的脈搏波特征作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量對(duì)脈搏信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同的環(huán)境下通過學(xué)習(xí)改進(jìn)其分類能力，從而滿足不同分類的要求。本系統(tǒng)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入神經(jīng)元接受已提取的脈象信號(hào)特征值，輸出層神經(jīng)元輸出脈象信號(hào)分類信息;隱含層神經(jīng)元自動(dòng)提取隱含在脈象信號(hào)中的特征信息。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種誤差反向傳播的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層（一層或多層）和輸出層組成，各層無反饋鏈接，各層內(nèi)神經(jīng)元無任何連接，僅相鄰神經(jīng)元之間有連接。其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

BP網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)信號(hào)前傳，誤差反傳的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)正向傳播時(shí)，輸入信息通過輸入層經(jīng)隱含層逐層處理后計(jì)算輸出每個(gè)單元的實(shí)際輸出值;當(dāng)反向傳播時(shí)，如果輸出層沒用得到理想的期望值，則逐層遞歸計(jì)算實(shí)際輸出與期待輸出的差值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)權(quán)值。這兩個(gè)過程反復(fù)運(yùn)用后，誤差將會(huì)變得最小。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)三層結(jié)構(gòu)的BP網(wǎng)絡(luò)，采用Sigmod函數(shù)作為傳遞函數(shù)，將神經(jīng)元的輸入范圍（-∞，+∞）映射到（0，1），該函數(shù)可微，因此特別適合BP訓(xùn)練的神經(jīng)元。為獲得合適的隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)，系統(tǒng)用不同的隱含層的神經(jīng)元對(duì)樣本做了訓(xùn)練。最后分類得出不同的脈象，從而相應(yīng)的健康意見。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)利用大量低成本、便攜式，不同種類的傳感器的感知信息來對(duì)相關(guān)人群進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、多尺度的健康監(jiān)測[7]。通過對(duì)所采集的生理信息進(jìn)行實(shí)時(shí)分析及數(shù)據(jù)融合處理，對(duì)用戶的健康狀況進(jìn)行判斷，提出相應(yīng)的健康建議，為人們提供了一種新穎的、方便的日常健康監(jiān)護(hù)手段，同時(shí)可以惠及偏遠(yuǎn)地區(qū)及老人。通過對(duì)已有脈搏波分類學(xué)習(xí)，可以在用戶出現(xiàn)某一種典型疾病前期脈搏波形時(shí)，發(fā)出健康警告。采集到的生理信息數(shù)據(jù)可以上傳至共享云平臺(tái)，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘用來二次開發(fā)，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 邵星， 王翠香， 孟海濤， 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的社區(qū)智慧醫(yī)療系統(tǒng)研究[J]. 軟件， 2015， 36（12）： 45-48.

[2] 李雯娟， 陳睿. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)及其建設(shè)策略研究[J]. 激光雜志， 2014， 35（5）： 56-58.

[3] Jia Xiaolin， Feng Quanyuan， Yu Lishan. Stability Analysis of an Efficient Anti-collision Protocol for RFID Tag Identification[J]. IEEE Transactions on Communications， 2012， 60（8）： 2285-2294.

[4] 賈小林， 顧婭軍， 賀曉霞， 等. 一種基于無源RFID標(biāo)簽的傳感器遠(yuǎn)程啟動(dòng)控制裝置[Z]. ZL201821075212.6， 2019（3）.

[5] Deepika Agrawal Punit Gupta Jasmeet Chhabra Pulkit Kumar Dhir "Io'T based Smart Health care Kit"[C].International Conference on Computational Techniques in Information Technologies， 2016（7）.

[6] 許俊杰， 陳軍. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)及其發(fā)展應(yīng)用[J]. 中國醫(yī)療設(shè)備， 2017， 32（10）： 118-121， 131.

[7] 宋金鑫， 李星頡， 李明， 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療及服務(wù)系統(tǒng)[J]. 黑龍江科技信息， 2016（6）： 164-165.

[8] PereiraM， Nagapriya K K.A novel IoT based health monitoring system using LPC2129[C].2017 2nd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics， Information & Communication Technology （RTEICT）， Bangalore， 2017： 564-568.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】