文摘
提出了一种远程健康监测系统为老年人提供基于智能家居网关。该系统包括三个部分:智能服装、智能家居网关和卫生保健服务器。智能服装收集老年人的心电图(ECG)和运动信号。家庭网关用于数据传输。卫生保健服务器提供服务的数据存储和用户信息管理;它建在Windows-Apache-MySQL-PHP(里面)平台,阿里云平台上测试。解决数据过载和网络拥塞问题的家庭网关,一个心电图压缩算法。系统演示表明,老年人的心电图信号和运动信号可以被监视。压缩算法的评估显示,它有一个高压缩比和低失真和消耗时间,适合家庭网关。该系统具有良好的可伸缩性,操作简单。 It has the potential to provide long-term and continuous home health monitoring services for the elderly.
1。介绍
近年来中国进入老龄化社会。人口老龄化的问题似乎越来越严重。老年人的身体条件,包括心脏功能和维护步态平衡的能力,正在下降。卫生保健和安全监测为老年人正成为一个迫切需要解决的问题。
医疗物联网(物联网)基于医学数字设备使老年人家庭健康监测成为可能。通过建立一个IoT-based家庭护理监测系统,老年人可以了解自己的健康状况和医疗中心提供的服务没有走出家里。它还将使政府和社会能够缓解人口老龄化的冲击。
在家庭护理监测系统,智能家居网关收集信号从身体传感器网络(BSN)和传送到卫生保健的服务器。国内基于网关的家庭护理监测系统的发展经历三个阶段。在第一阶段,电话调制解调器充当家庭网关,通过电话线和数据传输。Maiolo et al。1)和Vitacca et al。2)提出了监测系统通过对慢性呼吸衰竭患者使用调制解调器。这种类型的卫生保健系统可以传输的数据量有限,有限的传输速度,这限制了系统的可扩展性。与此同时,当数据需要传输,它需要被病人,这似乎不友好。个人电脑(PC)的普及促使医疗监控系统的第二阶段。在第二阶段,电脑被用作家庭网关,并通过宽带数据传输。毫无疑问,电脑操作有足够的能力来处理数据,同时消耗大量电力。第三阶段的医疗监控系统的特点是嵌入式设备和智能设备(3- - - - - -5]。邦萨尔et al。6和荣格et al。7]提出医疗监测系统基于移动网关,像智能手机。林等。8)设计了一个置顶平台家庭护理系统。Spinsante和特使9)提出了TV-based的家庭护理模式。压力等。10)开发了一个智能家居网关和一个相应的监控系统基于嵌入式技术;它可以监视multiphysiological老年人的信号。虽然这两种方法都有自己的优势,也有一些缺点。移动网关不能保证长期和连续测量。置顶平台系统没有提供心电图的测量,这是最重要的心血管疾病患者的生理信号。与此同时,这些解决方案不能保证24小时监控为老年人,老年人和他们太复杂的使用。
此外,大量的生理数据生成过程中健康监测。它可能导致数据过载和网络拥塞的问题,这是一个很大的负担家庭网关。结合本地存储和云存储的存储策略提出的林等。8)可以减少家庭网关的存储压力,但它传输数据时消耗了太多的系统资源。先前的研究[11- - - - - -16介绍了数据压缩的概念,可以有效减少数据量。
实现老年人的长期监测,解决数据过载和网络拥塞问题,让老年人容易操作,提出了一种智能家居基于网关的家庭护理监测系统。首先,系统设计。然后心电图压缩算法的原理和工作流程。最后,整个系统和压缩算法进行测试和评估。
2。材料和方法
2.1。系统设计
图1显示了系统的体系结构。系统包括三个部分,即智能服装心电图和运动信号采集,数据传输的家庭网关,和卫生保健服务器为数据存储和用户信息管理。
三个主要心电图信号和三轴加速度信号得到当长老穿智能衣服。心电图信号用于监控老人的心脏病,尤其是那些有心脏衰竭;加速度信号用于监测老年人的身体状态,如步行和跌倒。智能服装将这些信号发送到家庭网关通过低能蓝牙(祝福)。和家庭网关的数据智能服装通过蓝牙连接。本地数据处理后,压缩和存储网关传输这些数据通过互联网医疗保健服务器。视频通信的家庭网关还提供服务,这使得老年人和医生之间的联系更方便。卫生保健在WAMP服务器设计平台,并移植到阿里云®平台。这是用于长期数据存储和用户信息管理。
2.1.1。可穿戴漂亮的服装
心电图电缆和信号采集单元分别智能服装的设计。布与心电图电缆和电极设计嵌入式。和信号采集单元可以连接到布通过四个金属按钮。信号采集单元获得三个主要心电图信号和三轴加速度信号并将数据发送给家庭网关通过祝福。很容易操作和低功耗。
STM32F401用作微处理器单元(微控制器)的信号采集器。心电图数据采集模块、加速度信号采集模块,和BLE模块设计。图2显示了智能服装的硬件设计。智能服装的原型图所示3。
信号采集单元是由一个可充电锂电池,它有一个活跃的(OTG)端口电源充电。当单位是完全充电时,它将等待与家庭网关。一旦收到连接请求,它就响应并连接网关。那么信号采集器将不断向网关发送数据。ECG信号的采样频率为250赫兹,和加速度信号的采样频率为100赫兹。包发送到网关的数据如表所示1。前两个字节的头包,用于识别每个包;以下字节的心电图数据和运动数据。
2.1.2。家庭网关
(1)硬件设计。Exynos 4412年由三星是用作微机的家庭网关。它支持Linux和Android操作系统和广泛应用于消费电子产品领域。缩短开发周期,保证稳定的家庭网关,一个内核委员会选为控制模块。Exynos 4412,电源管理集成电路(PMIC) -S5M8767, 1 GB的闪存,4 GB嵌入式MultiMediaCard (EMMC),和一个USB3503A中心控制器集成。为了使一个原型的家庭网关,网络通信模块,电源模块,其他模块也在电路板设计。家庭网关的原型图所示4。
(一)
(b)
一个5 V电源适配器用作家庭网关的主要电源。内核董事会功能4 V,所以水平转换芯片用于转换5 V电压4 V。S5M8767芯片内核董事会为其他模块提供不同的权力范围。
家庭网关的网络通信模块包括祝福,为本地连接wi - fi,以太网远程连接。MT6620组合模块(wi - fi和BLE)被选为本地连接模块,和一个DM9621模块远程连接模块。
方便老年人,高清多媒体接口(HDMI)端口连接电视和红外数据协会(红外线)端口的红外遥控器的设计。音频模块还通过使用WM8960芯片设计。它连接到内核董事会通过inter-integrated电路声音(i2)和inter-integrated电路(I2C)端口。为了简化家庭网关的设计,三个通用串行总线(USB)接口开发连接一个相机或其他模块。
(2)软件设计。首先,Android操作系统移植到内核。然后应用程序(应用程序)开发基于Android平台。应用程序的结构如图5。
家庭网关的一个重要功能是识别不同的用户。通常,输入用户名和密码是用于识别不同的用户,但它不是方便老年人。在拟议的系统中,智能服装的蓝牙地址用作识别代码(ID),这是绑定到一个长者。这意味着,通过识别不同智能衣物(不同的蓝牙地址),系统可以识别不同的用户。为了操作方便,我们分配每个智能服装快速反应(QR)代码,和信息包含在二维码的蓝牙地址是衣服。
应用程序启动并进入登录页面时,网关是动力。老年人可以使用相机连接到家庭网关的二维码扫描他或她的智能服装登录。然后登录页面将跳转到主菜单于是。在主菜单中,有四个模块。这些都是“监控中心”、“健康档案”,“连接”和“系统设置。”“监控中心”模块是用于连接智能服装,采用数据,处理数据,并显示心率或其他信息。“健康档案”模块可以提供用户的心电图记录,运动信息,auto-diagnosis来自网关的信息。“连接”模块用于建立老年人和医生之间的连接通过一个相机。医生会接触老人在常规时间内确认他们的健康状况,和紧急情况下,医生和老人都可以随时联系对方。在“系统设置”模块,老年人可以设置网络连接模式和检查他的基本信息。
远程数据传输的主要有两种方法,即实时传输数据包和传送数据文件以固定时间间隔。第一个方法能保证服务器获取实时数据,但数据包丢失严重。第二种方法可以减少丢包率虽然不能保证实时数据传输。卫生保健系统设计本文采用第二种方法,和本地数据库是由使用SQLite管理本地数据。
2.1.3。卫生保健的服务器
卫生保健服务器有足够的操作能力的挖掘心电图和动态数据。分布式系统和云计算的技术介绍了近年来的大数据处理和信息挖掘。在该系统中,服务器的WAMP平台上开发和移植到阿里云平台。
服务器的实现卫生保健包括数据库设计和网站设计。数据库用于信息存储和使用的网站是实现管理用户信息的功能,读取数据文件,等等。PHP语言是用于开发网站。
MySQL是选择设计一个数据库来存储信息的老年人和医生。四个表名为“用户”、“医生”,“用户数据,”和“UserDiag”。表“用户”和“医生”是用来存储老年人和医生的基本信息。表“用户数据”存储心电图的索引文件,和表“UserDiag”商店医生的诊断信息。
图6显示了该网站的功能,包括从家庭网关,接收数据文件保存数据文件,根据用户信息和管理数据库。当医生登录到该网站,他们可以添加/删除用户或分配一个智能服装的长者。他们还可以读取心电图记录,使基于心电图诊断记录,标志着心电图图形,到家庭网关发送诊断信息或建议,并接受视频连接请求老人。
2.2。数据压缩算法
心电图采样频率的智能服装是250赫兹的信号采集器与12位分辨率在5.27−5.27 mV mV范围,所以三个领导是4050000字节的数据量每小时。因此,它是一个高负荷的家庭网关来存储或传输数据。最直接和有效的方法来减少家庭网关的资源消耗来压缩数据。
数据冗余会造成如果采样率太高,当一个信号被摧毁。减少了采样率可以减少数据量。主要的ECG信号的频谱范围从0.05赫兹到50赫兹。如果采样频率大于或等于200 Hz,这个信号可以downsampled因子2,可以减少数据量,同时保持频率范围(12]。原始信号可以从downsampled信号进行插值重构过程可以接受的失真。离散余弦变换(DCT)可以一个信号变换到频域,只保留实数。此外,DCT的属性能量压实,和心电图信号信息往往集中在少数低频分量的DCT信号,图中可以看到7。根据这个,DCT信号的高频部分可以被遗弃的ECG数据的减少。结合采样率转换和DCT方法用于设计ECG数据压缩。
数据压缩的过程如下(图8):一步1-detectR波的心电图信号,选择数据从一个位置R下一波位置R波位置与原始信号。的R使用Pan-Tompkins算法[波位置进行检测17]。一步2-decimate原始信号因子2,开展forward-differential操作。一步3-get线性变换(DCT)的微分信号。可以看出大多数系数几乎为零的信号到最后的20%。所以我们保护的第一个20% DCT信号(20%过滤窗口)。步骤4代码过滤DCT的信号。使用一个固定的编码进行编码的数据表根据所有过滤DCT的概率数据,而不是使用霍夫曼编码方法,使用动态编码表。解码时,守恒的DCT数据恢复根据编码表,和整个DCT信号被填零结束时恢复前一步中恢复信号。然后从重建DCT downsampled数据恢复数据,和原始ECG信号由数据插值重建。
MIT-BIH心律失常数据库的数据在360赫兹(收购)和几个心电图记录收集利用智能服装用来评估心电图压缩算法。压缩比(CR),畸变率(博士),和质量分数(QS)用于评估算法。CR是数据量压缩前后的比例,它反映了后减少的比例数据实现算法。博士的失真率指的是压缩后的重构信号,通常以百分比均方根差()。QS PRD CR的比率。QS越高、越高铬低和博士。这三个参数计算 在哪里表示原始数据压缩数据。
3所示。结果与讨论
3.1。系统演示
验证整个系统的功能,建立测试环境(如图9提出系统的)和几个示威。MPS450 ECG信号发生器用于生成三个主要心电图信号。智能服装与MPS450模拟信号采集的过程。家庭网关是通过HDMI端口连接到电脑显示器的模拟数字电视。它是通过wi - fi连接到互联网。web浏览器在另一个电脑和智能手机是用来测试服务器卫生保健的功能。系统演示包括三个主要部分,也就是说,当地的演示数据传输,远程数据传输的演示,演示视频通信的功能。
图10展示了当地的验证数据传输。左边的图是MPS450 ECG信号发生器;智能服装是连接到它。右边是家庭网关和监视器。监视器显示心电图信号采集的实时智能服装。在长期的过程中心电图数据采集、信号的延迟是可忽略的。我们已经做了一个实验的数据采集6个小时,结果显示没有数据丢失的过程中。除了心电图图形,心率和计算步骤的老年人的数量和心电图显示在右边的图。图11显示了演示的远程数据传输。家庭网关传送数据文件到服务器的超文本传输协议(HTTP)。图(11日)运动心电图图形和信号显示家庭网关。图11 (b)心电图信号显示一个web浏览器,从数据库中读取数据的卫生保健服务器。它可以发现心电图图形如图(11日)心电图图在图是一样的吗11 (b)。视频通信的演示图所示12。智能手机在左边显示图像从医生的观点;家庭网关显示相应的图像智能手机。
(一)
(b)
3.2。数据压缩评价
评估提议的心电图压缩算法,第一个36000分(100年代)MIT-BIH心律失常数据库中的每条记录。CR、珠江三角洲、QS和每条记录的时间消耗如表所示2。相比之下,运行长度编码方法(11),基于dct (12,15)方法和经验模态分解(EMD)方法为基础(14,16)如表所示3。图13显示了比较原始ECG信号的重构信号编号为100的记录。
表中可以看到3CR ECG信号的平均是12.47当第一个20%点DCT信号是守恒的(过滤窗口20%)和PRD可以控制在1.04%左右。该方法的CR是高于EMD-based [16)方法和基于dct (12)没有过滤方法。的CRs EMD-wavelet-based [14)法和基于dct(20%过滤窗口)法(15)高于该方法在这篇文章中,但是这样的两种方法是超过2%的地区,而不适合诊断(15]。同时,运行长度编码(11)方法具有较低的CR和更高的珠江三角洲。在测试,平均处理时间是290 ms,适合实时存储和传输。原始信号,重构信号的重建误差100号心电图记录如图13。可以看出,畸变率很低,误差约为零,证明该算法是有效的。
同时,为了验证算法的有效性在真实的场景中,使用数据的实验被进行了智能服装收购。每个心电图记录收集了10秒(2500点),以及测试结果列在表4。如表所示4,CR平均为11.39,平均PRD控制在2%以下,表明该算法是有效的。
4所示。结论
摘要远程健康监测系统为老年人提出了基于智能家居网关。该系统具有良好的可扩展性和容易操作。它可以为老年人提供长期、持续的监控。考虑到质量监控过程中生成的数据,设计一个心电图压缩算法。演示系统的验证整个系统是有效的和有可能被使用在一个真实的场景。压缩算法的测试显示的可能性将压缩方法应用到实时监控系统。
的利益冲突
作者宣称没有利益竞争。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。71661167001)。