面向移动健康设备的智能岛技术研究

徐为则 葛艳红 李文锋 张天平

(武汉理工大学物流工程学院 湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着可穿戴设备、云计算与物联网技术的发展，远程医疗逐渐出现在人们的视野中，无论用户处于何时何地，无线体域网BAN(Body Area Network)都能实时监测用户的生理状况[1]。由于人有相当长的时间是在活动状态下生活和工作，人们对移动健康的关注和研究逐渐增多[2-3]。然而，单一类型生理参数无法满足人体健康评估的需求。针对此问题，文献[4]设计了多参数健康系统，对多种生理参数的有效性进行验证，并通过数据融合技术对健康评估；文献[5]采用智能手机作为移动网关，能够自动收集人体的生理信息与人体姿态。当人体异常时，数据上传至云端报警；文献[6]通过安装Android系统驱动、生理参数驱动与监护应用软件，设计了一款远程多生理参数监护系统。

由于采集人体健康数据的每个节点的能量、计算能力与存储能力是有限的[7-8],对多类型数据持续与杂乱的传输，容易导致系统数据冗余，设备能耗损失增大。随着移动通信的发展，借助智能手机拥有多样式的无线通信技术和较强大的计算能力[9-12]，搭建了一种能够智能管理移动健康设备，减少数据上传至云端的智能岛。该智能岛通过自动调整设备优先级获取设备权重，并结合加权轮询算法对移动健康设备进行管理与采集数据。当遇到异常情况时,可在第一时间感知并将结果上传至云端报警。

1 智能岛架构设计

针对移动健康设备的统一管理与数据采集的需求，在智能手机上采用MVP模式搭建了一种智能岛。采用MVP模式将数据与界面完全分离，降低层次之间的耦合，同时业务逻辑完全交给Presenter(数据处理层)层处理，具有可移植性的优点。如图1所示，智能岛架构共分为三层。

图1 智能岛总体架构

第一层是数据层，包括蓝牙技术与数据库技术。该层的主要作用是从数据源(通过蓝牙技术与移动健康设备组网交互，HTTP技术与云端交互)中获取数据。其中：蓝牙技术与移动健康设备动态组网采集数据；数据库技术实现对历史数据的增、删、改、查的功能。第二层是数据处理层(业务逻辑层)，负责对数据层数据进行业务逻辑处理，如查询数据库数据，实现异常报警、智能管理设备。第三层是应用层，为用户提供可视化界面，实现对移动健康设备的手动控制，包括调整设备采集数据的频率、数据库的升级与设备状态的控制。同时该层还可以查看用户当前设备状况和健康状况等。智能岛主要完成以下两项功能：

(1) 健康异常监测 对用户而言，身体健康异常状况报警十分重要。智能岛通过分析移动健康设备采集的多生理数据，实现对人体健康状态判断。身体健康状态分为三种：健康、质疑(如用户久坐超过一定时间等)与危险(多种类型生理参数均异常或人体久坐并血压异常等)。当质疑或危险发生时，自动向监护人报警，提高报警响应速度；若健康，则采取定期发送数据至云端的方式，达到减少数据上传的目的。

(2) 智能组网 在体域网中，设备节点数据发送、接收与空闲时间对信道的监听消耗大部分能量[13-14]。因此，在保障健康监测的情况下，应当尽量减少节点数据传输。通过智能组网的方式，可解决此问题。

2 智能岛智能组网技术研究

在体域网中，由于异构可穿戴设备的空间位置、传输速度与频率的不同，采集的数据往往是杂乱无序的，容易导致数据碰撞与丢失等问题出现。然而传统的蓝牙微微网中，调度算法RR采用轮询不同的从节点，将全部带宽平均分布给每个从设备，存在不考虑设备对带宽资源的需求以及用户状况需求的问题。因此，本文采取提取用户生理特征方式，进行设备优先级分配，并设计加权轮询算法对设备动态组网。

2.1 设备优先级

(1)

(2)

(3)

该智能岛权重是变化的，采用滑动时间窗形式，根据权重判断规则，定期更新设备优先级。通过优先级，分配设备的权重，默认按数值等级来分配权重，如1，2，…，N。

2.2 动态组网

假设在智能岛区域D内，健康设备能够被连接，且用户所有设备MAC地址已保存在智能岛。轮询算法流程如图2所示。

图2 获取轮询设备算法

具体算法步骤如下：

(1) 智能岛首先找到区域内属于用户的设备，确保设备在活动状态。未搜索到设备默认关闭且权重设为0，时间阈值Tmax获得的蓝牙网集如下：

Φ(t+Tmax)={X|X1,X2,…,Xn}

(4)

式中：Xi表示一个空间集合的位置。

(2) 进行数据初始化。其中，cWij表示该设备当前权重值，下标i、j分别表示设备与轮询的次数；eWi表示设备影响权重(即通过优先级获取的权重)；sum0表示影响权重之和,初始值为0；cWtmax表示已遍历的健康设备中当前权重最大的值(以下简称最大权重值)，下标t的范围为0≤t≤n-1；i表示设备号，初始值为0；n表示设备数量。

(3) 更新该设备当前权重与影响权重之和。将设备当前权重值更新为设备影响权重与上一次该设备当前权重之和，并更新影响权重之和sumi，公式如下：

cWij=cWij-1+eWisumi+=eWi

(5)

式中：cWij表示该设备在上一次轮询中当前权重值。

(4) 选取当前权重最大的设备，作为轮询设备。首先判断是否是第一个设备，如果是第一个设备，此时更新最大权重值cWtmax及下标t,公式如下：

cWtmax=cWit=i

(6)

如果不是，则将该设备的当前权重与最大权重值进行对比。如果小于，且判断此时是最后一个设备，则选取cWtmax中下标为t的设备，作为轮询设备；如果小于，且判断此时不是最后一个设备，则继续比较下一个设备。如果大于，此时更新最大权重值cWtmax及下标t，且判断此时不是最后一个设备，继续比较下一个设备当前权重；如果大于且判断此时是最后一个设备，则选取与cWtmax中下标为t的设备，作为此时轮询的设备。为了能够轮询到其他设备，将该被轮询设备的当前权重值cWt更新以及更新cWtmax=0，公式如下：

cWi=cWi=t-sumn-1

(7)

(5) 获取到该cWtmax中t的值，表示第t种健康设备为轮询设备。当判断该设备与上一次轮询设备相同时，并且上一次数据正常，则不进行数据采集，若上一次异常，则进行数据采集。

若在轮询时发现数据超过阈值，则将轮询停止，进行多设备数据采集，按照分类进行身体健康状态诊断并报警。当用户久坐时，弹出对话框的形式提醒用户是否取消报警，如果超过时间阈值Tmax仍未取消，则进行报警，表示质疑等级报警；当血压超过时，结合心率状况，若此时心率也异常，则进行危险等级报警；若正常，但并未取消报警，则发送质疑报警，否则，不进行报警。

3 实验测试与分析

图3为动态组网连接健康设备采集数据的场景，将智能岛安装在智能手机上，采用Java语言编写的智能岛进行数据采集，使用多个时段进行重复稳态仿真[11]的方法测试效果。实验测试采用10组实验，三种组网方式进行对比，显示动态组网的效果，以及用异常感知时间来证明感知的效果。第一种是设备传输，未有优先级，采集全部数据；第二种是设备轮询传输，按顺序采集数据；第三种是设备权重轮询，依次将1到4种用户健康设备进行连接与关闭。通过与其他场景能耗对比，说明此方法的优越性。图4为智能岛部分功能效果。其中：(a)表示心率值动态变化；(b)表示解除报警功能，用于避免误报的行为;(c)表示设备状况(包括设备名称、开关、频率、运行状况)，并可手动进行设备管理。参与智能岛效果测试人数10人，实验表明，该智能岛能够满足健康监测与管理设备的需求。

图3 实验仿真场景

(a) 心率动态显示 (b) 解除报警 (c) 节点手动管理图4 智能岛部分界面

为了验证动态轮询的有效性，进行实验仿真，在实验中设置每次设备轮询时长为60 s，并在轮询总数为30次时，将压力坐垫关闭，心率与血压被轮询的次数将增大。图5中,纵坐标表示每个设备某段轮询的次数，横坐标表示在某段时间轮询的总数。图5中的数据与结果吻合，证明该算法的有效性。

图5 动态轮询算法仿真图

(8)

图6中，横坐标表示测试的设备数，纵坐标表示消耗电量百分比，并与表1对应。在连接设备相同情况下，全部连接并采集数据将增大电量消耗；在轮询时，均匀分配资源给每个设备，电量消耗趋于稳定趋势；第三种权重分配消耗电量最少，由于权重的原因，设置不同的频率进行数据采集，并且当前一次和此次采集设备相同时，在数据正常情况下，此次不进行采集，在一定程度上能够节约能耗。

图6 三种场景的电量消耗对比图

表1 三种场景电量消耗对比 %

为了能够测试异常第一时间感知，在测试时将心率与血压阈值调小，以便测试异常感知状况，参与实验人数为10人，年龄25周岁左右。由表2可知，延时时间非常短,报警准确度达到100%。

表2 异常感知结果

4 结 语

针对移动健康设备的管理与健康监护的需求，研究了能够管理移动健康设备，节约设备能耗的智能岛。该智能岛具有以下优点：

(1) 既可以与移动健康设备进行智能组网，又可以与云端交互，在人体异常时，能够第一时间进行感知。

(2) 能够根据用户个人状况自动调整设备优先级，进行蓝牙4.0智能组网采集数据，完成设备管理与控制，节约能耗。

(3) 采用MVP架构，减少数据的耦合，提高代码清晰度，提高智能岛的稳定性、可移植性与可扩展性。智能岛还可记录用户的日常生活习惯，为日后的深度学习研究提供基础。