数字家庭健康体征数据采集和环境感知系统方案.doc

广播和电视技术
2013年第2期
70摘要: 本文首先概括了目前数字家庭技术和相关业务开展的现状,并对数字家庭生活中健康信息获取和环境感知系统的技术需求进行了分析,在此基础上,提出了一种数字家庭健康数据获取和环境感知控制系统方案,并对其系统架构和平台及终端应用程序作了介绍,最后对其应用场景进行了探讨。
关键词: 数字家庭 健康信息 环境感知
0 引言
数字家庭的概念最早由IT 和家电行业提出,提出的目的是打破各种“信息孤岛”,实现各种信息终端之间的资源共享和协同工作。现阶段大众能够接受且已经进入操作层面的数字家庭概念,是指将各种家用和个人数字化产品,按照现代家庭生活需求组成的,集视听娱乐、信息服务和家居控制等功能于一体,并通过有线电视、宽带通信、无线通信等和外界实现信息交互和社会化家庭服务的综合智能系统[1]。
近年来,数字家庭网络涉及的业务不断扩大,涉及到家庭上班、网上购物、远程医疗、网络购物、培训就业和游戏休闲等多个层面[2]。归纳起来,当前的数字家庭业务应用主要在三个方面[3]:(1家庭影音娱乐,观看影片、欣赏音乐、个人影音;(2电信及广播业务,VOD 、VOIP 、IPTV 、网络游戏、远程办公/教育/医疗;(3控制和监视功能,实现安防、电器控制和电源管理等,即通常所说的“智能家居”。在“智能家居”应用中,考虑到系统成本和能耗等问题,终端节点一般为资源受限的设备,主要实现传感器网络的组建和各类传感器的管理,
数字家庭健康体征
数据采集和环境感知系统方案
◎ 刘春江 国家广电总局广播科学研究院
数据的获取和传输等功能,构建服务平台来实现数据集成、分
析和可视化工作,同时实现对海量终端节点的监控和管理。
随着我国经济的快速发展,人们对健康保健的关注度越来越高,同时随着人口老龄化和慢性疾病人口比例的逐年增长,传统的医疗服务面临巨大的压力和挑战,逐步从传统医疗行为的诊断和治疗,向以预防为主、防患于未然、消病于未起的“治未病”的预防医学方向发展,形成以日常保健为主、诊疗就医为辅的健康生活理念[4]。
而要实现“治未病”的预防医学和健康生活理念,首先就需要能够在家庭内部方便快捷地实现原本需要在医院完成的血压、血糖、血氧、体温、心电及脉搏等人体健康体征数
据的采集获取、归类存储管理及简单的分析判断功能,以便用户能随时了解自己的身体健康情况,做到提前预防保健,同时,当疾病发生时利于医护人员根据历史体征数据更加快速地判断致病原因等。考虑到物联网是无处不在的数据感知,以无线为主的信息传输和智能化的信息处理网络,本文设计实现基于物联网的数字家庭健康和环境感知系统,依靠家庭内部日益普及的数字电视机顶盒和无线路由器等数字家庭网络设备,方便快捷地实现了对人体血压、血糖、血氧、体温、心电及脉搏等健康体征信息的获取和管理、对家庭内部温度、湿度、光强和污染物颗粒等环境参数的感知获取以及对电源开关、灯光、门禁等设备的远程网络控制,从而一定程度上实现了“智能家居”和预防为主的健康生活理念。
1 系统架构介绍
数字家庭健康体征数据采集和环境感知系统由人体生理参数采集端、环境参数采集端、机顶盒终端(家庭网关和远程数据分析平台组成,生理传感器通过接触用户生理传感器获得多种生理信号后,采集模块将数据实时上传到机顶盒
有线网络
CATV
进行分析处理和展示,用户可监测其生理状态,机顶盒可通过Internet网络将生理数据上传到远程数据分析平台进行分析,用户可以及时得到信息反馈和建议等,同时,家庭内部的温度、湿度和亮度等环境参数也可以通过网络上传到数据平台供用户必要时进行远程访问,用户还可在必要时远程控制家庭内的部分家电设备(如热水器、门禁等,系统整体架构如图 1所示。数字家庭健康体征数据采集和环境感知系统主要由物联网服务平台、物联网感知设备控制器和用户访问终端构成,系统架构中各组成部分及其功能分别描述如下。
1.1 物联网服务平台
物联网服务平台是数字家庭物联网服务的数据集成展示平台、数字家庭设备的智能管理服务平台。该平台包含的核心组件包括用户管理、物联网感知设备控制器管理、传感器/设备管理和数字家庭服务规则系统等。在这些核心组件的支持下,为用户构建了数字家庭环境感知服务、传感器数据可视化服务、家居自动化管理服务和信息社会化共享等服务。同时,平台向服务开发者提供开放编程接口,服务开发者可以基于平台开发API为家庭用户开发丰富多彩的服务。
在对用户的数据获取手段的支持上,物联网服务平台使用基于RESTful架构的开放API体系,通过统一的Web Service,使得用户在取回和管理自己的传感器数据时,界面非常友好和简单,可以使用各种语言实现客户端系统,这样很方便在当前的移动智能应用流行的环境下,提供个性化服务。不管是在数字电视和移动终端等硬件平台,或者Android、iOS等操作系统上,使用物联网服务平台提供的界面组件API,可以非常快速的搭建起属于自己独一无二的应用,缩短第三方应用的开发周期。同时,物联网服务平台特有的桌面Widget、论坛插件、博客插件等,能够方便地将传感器数据,共享到社交网络上。
1.2 物联网感知设备控制器
物联网感知设备控制器是数字家庭内部构建传感器网络和家电设备网络的核心控制模块。该模块基于嵌入式、低功耗的方案设计,主要实现传感器和数字家电网络的构建,传感器感知数据的上传和家电设备控制指令的传输。该模块应支持射频、ZigBee、蓝牙等多种无线组网方式,并易于扩展和编程。
1.3 用户访问终端
数字家庭用户可以通过数字电视机顶盒或移动终端提供的UI访问物联网服务平台。基于Web用户接口,数字家庭用户可以实现物联网感知控制器的注册、传感器的绑定、传感器数据点的设置,家电设备控制信号的发送,传感器数据和家电设备状态信息的可视化监测。基于数字电视机顶盒和移动终端的客户端软件,用户可以实现对传感器和家电设备的数据/状态监控。
2 系统应用程序说明
在数字家庭健康和环境感知系统架构中的家庭网关可以是家庭中日益普及的无线路由器等网络设备,也可以使用具有Wifi功能的数字电视机顶盒代替,系统应用程序主要分为
服务平台程序和基于终端的应用程序两部
分。
2.1服务平台程序
进行服务器平台的程序设计和开发
时,主要考虑了如下几个主要因素:
1. 完成了物联平台和异构数据的通
信问题。由于传感器的种类多样,平台设
计同时支持文本、二进制、多种数据格式,
同时,平台使用了结构化的JSON数据作
为标准数据交换格式,这样能够有效地将
不同类型的传感设备数据,在平台上完成
标准化并实现组织化。
2. 平台安全性和可靠性考虑。首先
是设计了针对服务不中断的业务逻辑,保
证了在某台或数台服务器宕机的情况下,
能够自动分配计算能力到其他的服务器
图1 数字家庭健康体征数据采集和环境感知系统架构示意图有线网络
CATV
2013年第2期广播和电视技术71
广播和电视技术2013年第2期
72上,不对用户造成体验上的问题。除了数据安全外,还需要提供OpenSSL 等基于HTTP 的传输层加密机制,和数据本身的AES 256-bit 加密,保证用户的数据不泄露给第三方获得。
3. 高并发设计。使用Node .js 开发的高性能服务器,能够轻易扩充处理能力,无缝接入海量用户。
4. 平台在设计上提供了海量存储能力,使用NoSQL 技术,以 Hadoop 作为主要的存储系统,方便在用户大量增加的时候,提供海量存储能力,建立用户的个人数据中心。2.2终端应用程序说明
终端应用程序主要分为面向“智能家居”的环境感知和设备控制程序和基于数字电视的家庭健康管理程序,这两个应用程序全部基于Android 操作系统使用Java 语言加以设计,其中环境感知和设备控制程序的几个主要界面如图2所示。 应用时,首先需要将基于单片机等嵌入式设备的环境感知(光强、温度和湿度等设备和远程控制器(灯光开关、门禁开关等在服务平台上加以注册,然后,打开物联网服务应用程序即可实时获取家庭内部环境参数,控制家庭内部的灯光和门禁等设备,实现部分“智能家居”功能。
家庭健康管理程序首先由和用户直接接触的生理参数传感器获得多种生理信号,然后通过无线通讯上传到数字电视机顶盒进行分析处理和展示,用户可监测其生理状态,同时
机顶盒可通过网络将生理数据上传到远程数据分析平台进行分析,并及时得到信息反馈和专家的建议等,程序的业务和工作流程如图3所示。
家庭健康管理程序中考虑到每个家庭内部有多个家庭成员,
而每个家庭成员由于其年龄、性别和身高体重等方面的不同而导
致体征数据的正常健康值也有所差异,所以在系统设置中需要有成员管理和账户管理功能,而考虑到日常应用中有可能会选择不同的物联网服务平台,所以又设计实现了服务器设置功能。日常生活中,为切实实现“治未病”预防为主的健康生活理念,既需要实时测试获得用户的体征数据信息,又需要将以往多次测量获得的历史数据加以保存并随时调看,因此应用方案中实现了健康检测和历史数据记录查看功能。
3 结束语
本文提出了一种数字家庭健康体征数据采集和环境感知系统的应用方案,该方案基于家庭内部的电视机顶盒或手机等终端设备以及相应的生理参数采集传感器,可以实现对家庭成员的血压、血氧、血糖和脉搏、脂肪等健康体征数据信息的测量和记录存储,建立受检者长期的人体生理信息数据库,从而做出相应的健康预案和疾病预防,利于实现以预防为主,治疗为辅的健康生活理念。同时,该应用方案的环境感知和设备控制系统可以实现随时随地获知家庭内部环境条件以及对家庭内部分家电设备(如灯光和热水器等的开关控制,提高了人们日常生活的便利程度,同时在一定程度上实现了对家庭的安防控制,保障了家庭财产的安全,具有较高的应用前景和推广价值。
参考文献
[1] 刘长虹,苏瑞波,吴爱新.数字家庭及其标准综述[J ].广东科技. 2010(4:30-32.
[2] 家庭网络总体研究[R ].信息产业部电信研究院通信标准研究所. 2010:3.
[3] 王助娟,吴军.张轶数字家庭网络及其组网方式[J ].光纤和电缆及其应用技术,2008(2:5-7.
[4] 李昆仑,吕军. 面向社区家庭医疗保健的物联网技术应用[J ].单片机和嵌入式系统应用,2011(6:63-65.
图2 环境感知和设备控制应用程序的设备注册和状态监控界面
图3 家庭健康管理程序的业务和工作流程示意图
有线网络
CATV
8 / 8