智能穿戴设备监测数据的分析及研究

陈坤铭++亓相涛

摘 要：智能穿戴设备针对老人、儿童和残疾人的身体生理指标和运动轨迹进行监测。老人、儿童和残疾人的自理能力差，多数时间身边无人照看，突发状况无法预料，智能穿戴设备的监测功能可以弥补无人照看这段时间的空缺，若突发疾病，则设备自动发出警报告知亲属和救护中心，及早采取措施挽救老人、儿童和残疾人的生命。弱势人群的亲属判定弱势人群为失踪后，智能穿戴设备可迅速报警，记录身体的生理数据、运动轨迹以及移动速度为警方和弱势人群的亲属寻找提供了明确线索。论文运用文献资料法、数据分析法探讨智能穿戴设备解决现有老人、儿童和残疾人无人照看及老人、儿童和残疾人人口失踪的社会问题。

关键词：智能穿戴；生理指标；运动轨迹；文献资料法；数据分析法

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

智能穿戴设备将人体的健康数据融入了互联网，使人与机器交流更自然和本源。智能穿戴设备将人体生理、运动规律以数据的形式直观地展示出来，能为穿戴者的饮食规律、运动方式、定位以及就医治疗提供确切的数据依据。智能穿戴设备相较于智能手机，能监测人体生理、运动规律等数据，内容更加丰富，弥补了智能手机在人体生理指标、运动规律监测方面的不足。在老人、儿童和残疾人遭受伤害时，及时提醒监护人为他们提供帮助，在治疗期间提供可靠依据，把握最佳治疗时间。在老人、儿童和残疾人失踪后，可为警察或亲属提供寻找方向。

1 研究背景

1.1 社会背景

据不完全统计，中国每年的失踪儿童有20万左右，找回率不足0.1%，儿童丢失对每个家庭来说都是一个非常沉重的打击，是一个永远都无法弥补的伤痛。中国正快速进入老龄化社会，2010年中国60岁以上的老人有1.69亿，且这个数据每年都在稳步上升，到2050年，中国60岁以上的老人将达到4亿，而中国60岁以上的老人约有58%患有不同程度的老年痴呆症，也因此导致每年老人走失率居高不下，达到76万人左右。虽然政府部门每年都投入大量资金以期改变现状，但并没有起到良好的效果。目前我国有6 000多万残疾人，其中听力、语言残疾有2 057万人，视力残疾有877万人，智力残疾有1 182万人，肢体残疾有877万人，精神残疾有225万人，多重及其他残疾有782万人。老人、儿童和残疾人基数庞大，国家财政压力大，致使这些弱势人群的身体健康难以得到保障。

1.2 技术背景

2009年，IMB提出“智慧地球”的战略，后被美国提升为国家战略，同年，温家宝总理进行了“感知中国”的讲话，如今物联网正悄然改变着人们的生活，如同当年美国建立的“信息高速公路”，已逐渐渗透到日常生活、工作和学习中。发达的信息技术为获取人体生理数据提供了基础。运用物联网的相关概念，建立一套监测老人、儿童和残疾人身体状态的机制。后台数据中心得到老人、儿童和残疾人的生理数据后，利用云计算的快速分析能力与出色的决策能力来赢取宝贵的抢救时间和寻找时间。

2 技术分析

2.1 蓝牙技术

蓝牙是一种短距离无线传输数据的技术标准，成本低，有配对验证的过程，智能穿戴设备的数据与其他带有蓝牙的移动端建立通讯前，需要手动验证，监护人根据需要绑定一个或多个移动端。

监护人与穿戴者距离较近时，蓝牙开始与GPRS一起传输数据，后者将数据传输到数据中心后，无需再发送到监护人的移动端。

2.2 ZigBee 技术

ZigBee技术是一种近距离，拥有低复杂度、低功耗、低速率、低成本特点的双向无线通信技术，主要用于短距离、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，因此非常适用于家电和小型电子设备间的无线控制指令传输[1]。

ZigBee技术能将多个智能穿戴设备组合，只需其中一个智能穿戴设备包含GPRS模块就能远距离将所有智能穿戴设备采集的数据发送到上位机，在远距离数据传输时，极大地保证了智能穿戴设备功耗低、成本低和结构精简等优势。

ZigBee技术的高安全性能有效确保数据的安全性，不会被轻易获取，使用访问控制清单（Access Control List， ACL）或采用高级加密标准（AES 128）的对称密码能很好地保护数据。

2.3 GPRS技术

通用分组无线业务（General Packet Radio Service， GPRS）是在现有GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务。

GPRS可以看作是在原有GMS电路交换系统的基础上进行的业务扩充，由新增的网络实体对GMS数据进行旁路扩展，支持移动用户利用分组数据移动终端接入Internet或其他分组数据网络，由原GSM网络完成语音功能[2]。

GPRS技术解决了远距离监控穿戴者身体生理数据和运动状态时的数据远距离传输问题。

2.4 云计算技术

美国国家标准技术研究院对云计算的定义是，一种将网络、服务器、存储和软件应用等通过泛在、方便、按需获取的手段从可分配计算资源池中获得服务的方式[3]。

云计算在智能穿戴设备中的应用主要是通过分析穿戴者的状态进行决策，从而实现迅速反应的机制。智能穿戴设备采集数据到云计算决策流程如图1所示。

图1 智能穿戴设备采集数据到云计算的决策流程

2.5 嵌入式系统技术

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件可裁剪，满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等有严格要求的专用计算机系统[4]。

智能穿戴设备采集老人、儿童和残疾人的各种生理数据，包括心率、血压、体温、移动速度等，各种传感器得到的电信号经模数转换后，将模拟信号转换成数据，再经过GPRS、ZigBee或蓝牙模块将数据发送到服务器或手机等移动端。

智能穿戴设备要保证在不同极端情况下的可靠性，防水、防震、耐高温等都是设计电路板时要考虑的。

使用对象的社会阶层复杂，推出的智能穿戴设备产品要顾及家庭困难的穿戴者，智能穿戴设备要做到廉价，覆盖多数人。

对于老人、儿童和残疾人，要考虑到行动能力、自理能力差等因素，智能穿戴设备必须穿戴方便，贴身携带，体积小，重量轻。

确保智能穿戴设备拥有最低功耗及持久的续航能力以保证数据的连贯性。

3 数据流构建

利用云计算技术将穿戴者的心率、血压、体温、移动速度等数据综合在一起，分析穿戴者的生理状态和运动状态。智能穿戴设备针对老人、儿童和残疾人，主要判定他们处在正常生理状态、危险生理状态、可见状态和丢失状态中的哪一种。

3.1 正常生理状态

正常生理状态与各项生理指标是充分必要条件的关系，任何一项生理指标超出或低于正常指标范围时，佩戴者都不属于正常生理状态，正常生理状态条件较苛刻。列举以下生理指标范围。各年龄人群的心率范围如表1所列。

各年龄人群的血压平均值范围如表2所列。

中国新生儿 12岁健康人平静时血压平均值范围见表3所列。

各年龄人群的体温范围如表4所列。

在后台数据中心数据库运用一定的算法设置好年龄、性别及发病史综合条件下的各生理指标的数值范围，穿戴者只需在使用智能穿戴设备前提交年龄、性别及发病史等其他身体基本信息后即可开始监测身体状态。

3.2 危险生理状态

在后台数据中心记录穿戴者的身体生理轨迹。智能穿戴设备按照编写的协议，在一段时间内将采集的数据发送到后台数据中心，运用云计算快速处理分析数据。穿戴者处于危险生理状态时，能及时反馈并发出警告，降低服务器崩溃风险，避免数据中心的反馈延迟。后台数据中心后期能生成报告，为穿戴者恢复健康采取措施提供可靠的数据支撑。

智能穿戴设备的后台数据与救护中心共享，在穿戴者处于危险生理状态时，救护中心及时准备好救护药品和救护设备，派出救护人员在最短的时间内挽救穿戴者的生命。老人、儿童和残疾人处于危险生理状态时智能穿戴设备的自动呼救流程如图2所示。

3.3 可见状态

可见状态主要基于后台数据中心记录GPS模块采集的数据。可见状态容易判断，穿戴者的移动轨迹和移动速度与平时的数据相差无几，也没有超出预先设定好的活动范围，则说明穿戴者处于可见状态，监护人能及时联系到穿戴者。

若穿戴者超出预先设定好的活动范围或穿戴者的移动轨迹和移动速度与平时的数据相差甚远，则监护人需要确认穿戴者是否被拐卖、失踪，若取消丢失状态，则恢复为可见状态。

3.4 丢失状态

智能穿戴设备中的GPS模块收集穿戴者的运动数据，在后台数据中心运用一定的算法来记录穿戴者的运动轨迹和移动速度。智能穿戴设备、后台数据中心、PC端、手机和平板移动端都针对儿童、老年痴呆症患者及其他自理能力差的人群提供追踪服务，自动报警。

市场上少数智能穿戴设备能设定穿戴者的活动范围，穿戴者若超出设定的活动范围，数据中心迅速推送警告至PC端、手机和平板移动端，PC端、手机和平板移动端的监护人判定是否为迷路或失踪，若确定穿戴者未迷路或失踪，可取消警告。

穿戴者未超出设定的活动范围，监护人也可自行设置为丢失状态。设定丢失状态的意义在于能及时发现穿戴者的去向并自动报警，配合警方在最短时间内找到穿戴者。

智能穿戴设备的后台数据与警方共享，在穿戴者处于失踪状态时，警方迅速出警，根据穿戴者的移动轨迹和移动速度来调度人员，设置关卡。弱势人群处于丢失状态时智能穿戴设备的自动报警流程如图3所示。

图3 弱势人群处于丢失状态智能穿戴设备自动报警流程

在二十多年前，美国已经提出了针对儿童失踪这一社会问题的解决方案——Amber系统。Amber系统通过电台、电视台、电子邮件、交通提示、短信、Facebook、Google 等多种渠道向全国发布失踪儿童信息，发布内容由警方决定，通常包含失踪儿童的特征、嫌疑犯特征以及嫌犯的车辆描述和车牌号[5]。

借鉴美国已有实例，国内的智能穿戴设备主要针对自理能力差的人群被拐卖绑架的现象，国内企业可开发相应的数据库，建立能供警方随时调用的数据中心，为有效打击人口贩卖的犯罪行为及寻找失踪人口提供明确的线索。

4 信息安全防护

穿戴者的身体生理数据属于个人隐私，而针对老人、儿童和残疾人设计的穿戴设备若泄露了生理数据则比较危险。

4.1 基层数据封装加密

智能穿戴设备在发送数据前将基层数据封装加密，即使非法上位机获得了智能穿戴设备的数据包，也不能成功解密数据包。例如使用经典对称加密算法DSE和非对称加密算法RSA等对发送数据进行加密。

4.2 后台数据中心防护

4.2.1 数据加密

在云计算平台下加密数据，数据所有者首先使用相同的公钥加密数据，然后上传密文到云服务提供商。云服务提供商将密文重加密为用户公钥加密的密文，然后再返回给用户[6]。

4.2.2 访问控制

可以根据访问结构产生系统密钥或密文，以确保满足指定条件的用户才可以解密访问[6]。访问者必须拥有合法的用户身份，且用户的访问身份因实际生活中的角色而限制权限，比如数据开发人员、指定的医生和指定的警察有最高访问权限，可随时调取数据。

4.3 密文检索

用户首先使用搜索加密机制对数据加密，然后将密文存储在云服务器中，当用户需要搜索某个关键字时，可以将该关键字的检索凭证发给云服务器，云服务器将接收到的检索凭证与每个密文匹配，如果匹配成功，则说明该加密数据包含该关键字。最后云服务器将所有匹配成功的密文发回给用户。在收到搜索结果之后，用户再对返回的密文进行解密[6] 。

5 结 语

随着物联网、云计算等新行业的发展，智能穿戴设备的发展趋势为更智能、小巧、人性化。智能穿戴设备在科技的发展中，已逐渐进入人们的生活，并成为生活中的必需品，就如智能手机的兴起一样。但现阶段存在的问题在于如何将智能穿戴设备做的更人性化，以弥补手机无法完成的功能，触及人们的需求痛点，挽救老人、儿童和残疾人的生命健康，减少老人、儿童和残疾人的失踪问题。

参考文献

[1]姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网技术[M].北京：清华大学出版社，2014.

[2]申力.基于GPRS的数据传输应用[D].南京：南京理工大学，2004.

[3]刘森.云计算技术的价值创造及作用机理研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[4]韩光辉，曾世平.嵌入式系统开发[M].北京：机械工业出版社，2015.

[5]李慧翔.三名儿童改变美国历史——美国的失踪儿童干预系统[J].科学大观园，2013（12）：23-24.

[6]黄勤龙.云计算平台下数据安全与版权保护技术研究[D].北京：北京邮电大学，2014.

[7]翁祖泉，张琪.基于物联网海量数据处理的数据库技术分析与研究[J].物联网技术，2014，4（6）：88-90.

[8]张艳玲，田军委，柯成虎.嵌入式智能家居物联网网关系统设计[J].物联网技术，2016，6（8）：105-107.