基于物联网的远程健康监护系统的设计与实现分析研究 计算机科学与技术专业

基于物联网的远程健康监护系统的设计与实现摘要：近年来全球经济持续不断地增长，现代人民生活节奏逐渐加快，许多健康问题也随之产生，大部分慢性病和突发疾病得不到及时的治疗，危害着人们的身体健康。因此，人们对医疗保健普适性的需求正急剧提高，合理的利用医疗卫生资源成为现下医学界万众瞩目的问题。利用目前发达的物联网技术设计与实现一个远程健康监护服务系统，使病患和一些身体每况愈下的亚健康人群可以及时的收到系统所传递到的警示，并作出反馈，有利于降低疾病所带来的危害，提升人们的生活品质和生命健康。关键词：物联网；健康监护系统；SOA系统框架DesignandImplementationofRemoteHealthMonitoringSystemBasedonInternetofThingsAbstract:Inrecentyears,theglobaleconomyhascontinuedtogrow,thepaceofmodernpeople'slifehasgraduallyaccelerated,andmanyhealthproblemshavefollowed.Mostchronicdiseasesandsuddenillnessesarenottreatedintime,whichisharmfultopeople'shealth.Therefore,people'sdemandforuniversalhealthcareisrapidlyincreasing,andtherationaluseofmedicalandhealthresourceshasbecomeamatterofgreatconcerninthemedicalcommunity.DesignandimplementaremotehealthmonitoringservicesystemusingthecurrentdevelopedInternetofThingstechnology,sothatpatientsandsomesub-healthypeoplewithdeterioratingphysicalconditioncanreceivetimelywarningsfromthesystemandprovidefeedbacktohelpreducethedisease.Theharmthatcomesistoimprovepeople'squalityoflifeandhealth.Keywords:InternetofThings；Healthmonitoringsystem；SOAsystemframework目录第1章绪论 31.1课题的研究背景及意义 31.2国内外应用和研究现状 31.3本论文章节安排 3第2章远程健康监护系统的需求分析和总体设计 42.1远程健康监护系统框架概述 42.2远程健康监护系统的需求分析 42.3系统的功能性需求 42.3.1数据采集部分 52.3.2中心服务器部分 52.3.3移动客户端 52.4系统的非功能性需求 52.4.1易用性 52.4.2可拓展性 52.5远程健康监护系统的总体设计 5第3章远程健康监护系统的中心服务器设计 53.1数据库结构设计 53.2数据库设计 63.3服务器结构设计 63.4服务器设计 6第4章远程健康监护系统的详细设计与功能实现 74.1功能子系统设计与实现 74.1.1咨询就诊导引服务系统 74.1.2信息汇集分析服务系统 74.1.3资源搜寻异构物联系统 84.1.4家庭健康监护终端系统 84.1.5健康监护人体局域网系统 84.1.6健康监护数据分析服务系统 84.2系统互联关键技术解决方案 84.2.1平台异构互联的结构设计 94.2.2终端系统互联的结构设计 94.2.3系统异构的互联应用流程 94.3系统的实施 104.3.1平台系统服务功能分析 104.3.2终端系统应用功能分析 104.3.3系统的物联网功能整合 10第5章课题总结及展望 115.1课题总结 115.2展望 11致谢 12参考文献 12绪论1.1课题的研究背景及意义由于现在社会经济发展迅猛，生活质量不断提高，各行业之间的竞争激烈，人们通常会忽视自己的身体健康导致疾病突发而得不到及时的救治。因此，近年来，健康问题被社会各界广泛重视，人民的医疗健康意识不断增强。在传统医学模式的观念里，医院是治疗的中心，而现在新时代环境下，医学开始以病人、家庭为中心，更加注重预防疾病和保卫身体健康。世界各国都在不懈努力地研发一种新的医疗健康模式，可以给予患者高质量，方便可靠且花费低廉的远程医疗健康服务。1.2国内外应用和研究现状早在19世界70年代，外国医学界就开始试图开发出一种全新的健康服务系统，提供合理的医疗资源，高医疗质量服务，且对患者方便使用并花销低廉的健康服务，有人便提出了基于家庭的健康监护理念，一石激起千层浪，这一理念引发了业界的一场医疗革命。人们通过使用规范的通讯设备和接口协议结合住宅内部的自动化传感设备，构建了基于家庭的健康监护系统，使得病患不用再舟车劳顿前往医院进行治疗，让身患慢性病和突发疾病的患者可以获得健康监护保障。随着科技的不断发展和远程医疗服务的风靡，国内外健康监护服务的概念显现了新的发展趋势，融入了远程医疗监护的新理念。国内外对远程健康监护系统的研究有以下几个方面：对远程健康监护系统接受程度的调差：与传统的以医院为中心的健康服务系统大相径庭，基于家庭的远程健康监护系统的开发过程中不断地结合了物联网等新兴技术，据相关部门研究表明，多数群体相信可以通过远程健康监护系统发现健康漏洞，对远程医疗健康服务表示认可。对远程健康监护系统依赖技术的研究：目前来看，远程健康监护系统依赖于现金传感技术，物联通讯技术和嵌入式计算机技术，使得系统更加智能并可检测出身体突发和缓慢的改变，并及时反馈预防，而长期目标是远程健康监护系统所有功能在家庭内全面集成，比如：构造以社区为核心的远程健康监护系统。对远程健康监护系统的价值分析：基于家庭的远程健康监护系统是一个繁杂的分布式应用系统，要求医院，社会政府，系统组装工厂和病患在各方面的大量投资，其价值在于根治持续增大的医疗费用问题和为广大群众，无论种族，地域的人群提供得到平等的医疗健康资源。从国内外研究现状来看，远程健康监护系统已成为医学界树林中的一棵参天大树，行业开始进入市场需求增长阶段。但是系统的技术支持仍有许多漏洞需要修复，比如网络通信，物联传感，挖掘数据等。1.3本论文章节安排本文共分为五个章节绪论：介绍了论文的研究背景。针对远程健康监护系统的市场需要突显研究的可行性，从国内外研究现状及成果方面分析论述，说明了远程健康监护系统研究意义。远程健康监护系统的需求分析和总体设计：在远程健康监护系统市场需求分析后，开发基于物联网的远程健康监护系统技术设计，包含：健康监护终端应用人体局域网物联系统和健康监护服务广域物联系统的框架结构、健康监护服务物联系统集成方案，实现系统的SOA整体框架设计。远程健康监护系统的中心服务器设计：对系统所用的数据库进行了精心设计。需要存储的数据将全被引导存放在数据库中，数据库设计了不同的方式来进行数据的区分和储存。远程健康监护系统的详细设计与功能实现：分析并介绍了远程健康监护系统的设计与实现，远程健康监护物联网络的数据挖掘和系统SOA集成方案。课题总结及展望：本论文设计的总结论述，并对远程健康监护系统未来发展方向提供了企望和意见。远程健康监护系统的需求分析和总体设计软件系统的研究有以下四个过程：需求分析、程序设计、程序实现和程序测试。研发者在设计前均会对开发需要进行总统的规划，进而研发具有相应功能的系统软件，只有足够了解开发需要才能精确的设计整个系统，进而有规律高效的研发。2.1远程健康监护系统框架概述随着科技飞速发展，互联网和物联网技术不断成熟，智能医疗以其广阔的发展潜力进入公众的视野中。智能医疗虽然先进，但其并不是彻底摈弃传统的医疗模式，恰恰相反，智能医疗只是在目前已有的医疗设施中添加互联网共联的功能，达成在线医疗，远程监护等实用功能。智能医疗是以网页或APP作为顶层，网络通信作为中间数据储存传输层，硬件做底层支持的系统构架。远程健康监护系统就是通过硬件设施上的传感器实时收集人体的各项生命体征，利用物联网形成通信，使用智能终端随时随地的进行人体健康监护。2.2远程健康监护系统的需求分析由于时代的飞速发展，许多人为了完成工作不得不始终处于一个紧绷的状态，大城市里的人们一天几乎都是在忙碌中度过的。对于在外漂泊打工的人们来说，他们的主要目的是赚取更多的钱，让自己和家人的生活品质得到显著提高，所以他们在工作时经常十分拼命，与此同时其家中老小通常也得不到无微不至的关心和监护，这样导致了许多人的健康问题受到严重威胁。远程健康监护系统就此应运而生，其受益面广大，让老人、孩子、强度工作者和慢性病患者受益匪浅。监护系统通过网络收集用户的各项信息，同时给出反馈，达成使用户及时得到医疗健康资源的救治。设计还额外提供了用户的历史数据汇总，可以方便地查看用户的健康状况。2.3系统的功能性需求每个系统的基本出发点都是要求可以完成最基本的功能，在进行对系统的需求精细分析之后，本文提出了系统的功能性需求，并区分为以下三个方面：数据采集部分、中心服务器部分和移动客户端部分。2.3.1数据采集部分数据采集功能主要由监护设备完成，利用XML技术完成远程健康监护信息的数据采集、分析对比和诊疗建议，帮助医疗人员在全面的服务界面下，收集远程健康监护服务所需要的信息。系统使用XML形势储存进Exsit原生SML数据库，医疗人员能方便快捷的使用W3CXML查询规范。系统可以在广域网情景下完成数据采集和分析，满足了远程健康监护的需求。2.3.2中心服务器部分系统里被称为核心的主要组成部分就是中心服务器。其作用是收集监护设施采接到的各项生命体征数据，并将数据用规范方法进行分析，然后转换为系统的数据格式储存在数据库中。为了精确处理问题和储存数据，必须采用合理的框架模式。2.3.3移动客户端移动客户端，顾名思义，即用户所使用的可移动远程健康监护设备。移动客户端直接连接了用户，实时追踪用户的健康安全状况。移动客户端中装有体域网（BAN），又依赖于用户人体的各种传感器构筑的网络，在远程健康监护系统中，BAN可以便捷及时的采集健康监护信息，及时发现用户的健康问题，达到及时治疗救助的目的。2.4系统的非功能性需求远程健康监护系统不仅需要满足功能性需要，同时也应满足非功能性需要。2.4.1易用性通俗易懂，即指系统使用的难易程度。虽然现在社会发展迅猛，但仍有许多老年人尚未触及新兴科技产品，所以远程健康监护系统的使用难度不应高屋建瓴，宜采用操作简单，方便上手的模式。2.4.2可拓展性目前物联网正光速发展，互联网与物联网的融合密不可分，随着经济和科技的持续发展，系统的可拓展性显得至关重要。想要紧跟时代的步伐，就必须加强系统的可拓展性。所以在设计系统时，需考虑到可拓展性，使其在之后的升级过程中稳定可靠。2.5远程健康监护系统的总体设计物联网技术模型包括M2M。其包含了所有在机器、系统和人之间构建通信连接的技术和处理方案。远程健康监护系统就是M2M基于医学行业的极具特色的解决方案，不仅继承着健康生活家居的思路，融合了现下医院医学诊疗技术，通过它在病患处获取重要的健康数据，并及时反馈给远程健康监护系统平台，完成系统对用户健康的监护、远程数据采集和反馈和远程诊疗等需要。用户可以时时刻刻利用医疗资源完成对自身健康安全的监护。远程健康监护系统的中心服务器设计3.1数据库结构设计由于远程健康监护系统的广域网节点使用研发和数据尚未统一规范，所以其信息服务一体，数据库构架差异巨大。为使各个广域网节点业务系统的相关数据传输到物联系统中心平台，建立了数据采集层，其可以通过实时监测远程节店业务数据库的改变，采用已定的规划和方案提出对应的有关信息，发送至本地连接的消息中间件中，由消息中间件自动进行路由传输。3.2数据库设计数据库就是将一直储存在计算机中、可以分享、组织划分的数据集合起来。数据库中大致类似的数据会依据一样的方法储存在一起，所以其容错率高，而且可以实现数据分享，而数据与应用程序之间彼此独立。使用装配在物联系统中心的数据库适配器和消息中间件，完成将远程各个广域网节点业务系统的相关数据提出到远程健康监护中心平台，并依据数据标准将数据进行集成后，启动数据储存。具体设计如下：（1）登记在册的用户身份和健康档案数据；（2）既定范围内用户家庭情况的健康数据和分析；（3）远程健康监护系统反馈的的历史和最新数据；（4）远程健康监护系统给出的医卫数据分析；（5）另外的公共卫生信息系统给出的的医卫资源统计数据；（6）远程健康监护系统的全部详尽数据和汇总数据。3.3服务器结构设计基于物联网的远程健康监护系统的病患通过UMS系统登录，大大地提升了系统的工作效应，并且可以在UMS服务器中实现各种功能，例如能把病患信息储存到平台数据库。应用能够划分为数据结构、业务流程和数据显示。在完成数据收集、处理、传导以及服务和应用的过程后装成功能单元，进而给出相应的业务流程编辑。基于物联网的远程健康监护系统框架结构的SOA系统支持层是一个操作运行标准的系统平台。如下图：图1.广域物联SOA系统模型3.4服务器设计服务器在系统的中间层担任着不能或缺的作用，它一边连接着硬件设施，一边和软件客户端完成通讯。在服务器页面完成管理员的作用，再经过网页把数据分析传输给病患。网页端只允许管理员登录。管理员可以找到所有已添加的设施信息。远程健康监护系统的详细设计与功能实现远程健康监护系统由中心、终端、BAN传感器三部分连接构成，系统的组成十分繁冗。在设计过程中，加入了基于物联网层次式体系结构的设计理念。基于此理念，本设计将远程健康监护系统分成以下四个部分：通用核心层、基本应用层、业务管理层和扩展应用层，如图所示。图2.层次式物联网体系结构（1）通用核心层可以完成系统对远程健康监护的具体操控，通用核心层是一个基层，后面其它三层的运作都是在此基层上渐渐加入一些功能实现的。（2）基本应用层的最主要功能是远程健康监护系统的数据收集，它是远程健康监护系统的信息管控中心，和通用核心层合作一起实现远程健康监护的基本运作。（3）对基本应用层进行更深的扩展后得到业务管理层，其主要功能是完成远程健康监护系统的业务管理。（4）扩展应用层的主要功能是对健康检测和医卫诊疗提供数据资源和信息供给，对被监测病患健康情况随时随地的追踪检查。4.1功能子系统设计与实现远程健康监护系统选用了被世界广泛认可方便使用的信息集成体系架构SOA系统。在分析所有服务子系统功能目标之后，启动服务建模，完成已定服务的规范设计。其中业务管理层功能子系统的设计至关重要，在设计时，本文应用M2M物联网系统体系结构，降低了系统构建维护投入，提高了系统的各项性能。4.1.1咨询就诊导引服务系统咨询就诊导引系统的主要功能是以UMS形式供给医疗健康信息咨询、预约挂号、就诊导引服务。系统允许进行用户管理和登录:使用SSO技术达成对单一用户的认证。系统设计了先进的医疗服务模式,比如预约挂号、就诊导引等全方位的系列功能服务。病患使用UMS登录系统,选用最适宜的医疗卫生门诊服务流程。系统可以大大降低用户就诊过程中的时间浪费，让用户就诊治疗的流程更加快捷便利。医疗健康信息咨询、预约挂号、就诊导引服务系统符合HL7国际标准,基于跨平台的UMS技术设计和开发,便于系统运行于复杂的医疗保健机构互联网络通信环境。采用UMS框架组装整个系统。组件和应用框架技术规范系统结构和开发方法。结合智能终端方式实现客户端功能，满足多元化的远程健康监护服务。4.1.2信息汇集分析服务系统信息汇集分析服务系统的主要功能是对用户进行远程会诊:应用XML技术完成远程健康监护信息的集成储存和诊疗分析，帮助医护人员在智能化的服务界面下，得到远程健康监护服务中用户所需的治疗数据。系统采用多层体系架构,应用XML格式储存在Exsit原生XML数据库,让医疗使用者能够快速查询规范，并对数据库进行全方位的搜查。系统可以在广域网环境下完成数据集合和诊疗分析，满足了远程健康监护服务的需求。4.1.3资源搜寻异构物联系统资源搜寻异构物联系统的主要功能是将信息进行聚合。以异构数据库物联交换技术将用户健康监护、医疗卫生资源搜寻、信息交换处理集成于一体，把数据汇总到一起以供分析，进而反馈给医护人员，亦或遵循医嘱导入系统。医护人员和用户可以在参考病患完整精确的病史后进行针对问题的治疗。系统采用面向对象的中间件技术和XML语言,以消息传递方式完成不同模块之间的互连,减少了异构数据库物联交换接口的繁冗度。物联系统中心服务器作为远程健康监护服务系统中心节点，与多个应用系统互连，可以极大程度的降低多个系统互连的接口数量，减少医疗卫生机构信息系统互连成本。4.1.4家庭健康监护终端系统家庭健康监护终端系统的主要功能是实现信息的交互转发。可由医疗工作者为病患制定适应的家庭健康监测和终端监测方案。在家庭健康监护局城网中，终端是一个实现汇合体城网BAN传感器数据并和远程医护人员达成即时信息交流的平台。终端还承担着十分重要的工作，那就是使病患达成基于健康监护信息的自主诊断业务。家庭健康监护数据存储发送、信息交互应用终端系统使用先进的嵌入式技术，结合了SOA和AOP技术,应用了智能化界面，设计过程中使用嵌入式内核控制操作系统，其不但需要能够对BAN传感器进行即时操控，并且也要完成繁杂的家庭健康监护局域网要求，完成对健康监护信息的快速可靠的反馈。4.1.5健康监护人体局域网系统体域网(BAN)是安装在病人身上的一种网络，它由一系列微型化、可以随时通讯的传感器和一个BAN协调器构成。这种传感器不仅可以安装在身上，也能够植入体内。BAN体域网是一个能够长久监测病患健康信息的新兴技术方式，BAN体域网技术当下还处于新兴发展时期，在许多功能和服务应用方面尚存在许多问题。4.1.6健康监护数据分析服务系统健康监护数据分析服务系统的主要功能是对用户的健康状态进行分析评价。远程健康监护服务需要医疗卫生人员给出科学的治疗方案。因此我们需要构建并完善远程健康监护医卫信息整合与服务分析系统,对出现了一些病例症状但无法确诊为何种疾病的患者，还有亚健康人群进行实时的监测。系统使用SOA进行设计，按照业务功能断定信息来源,构建全面的数据搜寻和信息分析模型,然后渐渐规范对应互联应用系统采用的信息平台，进而给出全方位的数据交换平台(DEP)。4.2系统互联关键技术解决方案远程健康监护系统与子系统之间在体系结构、操作系统平台和数据库平台等方面都有很大的差异。为了保证各功能系统之间可以安全准确的进行信息分享、数据交互，提高远程健康监护物联网络的运行效率已经事不宜迟。所以我们需要解决以下一些问题：物联网模式下跨安全域的数据交互问题。要供给一致的身份认证、授权管理等安全支持系统。物联网异构系统之间的数据交互的漏洞。要提供一个采用公共标准的数据收集模块。物联网数据的信息形式转换的弊端。需求一个能适应不同信息情景并且完成数据结构和类型相互转化的公共业务模块。4.2.1平台异构互联的结构设计将多个异构数据库集成在一起就构成了远程健康监护系统平台的核心数据库系统。各个数据库系统之间能够数据相互分享，但同时留有自己的应用性能，远程健康监护异构数据库系统的异构性特别表现在：基本操纵系统、计算机系统结构和DBMS自身的异构。远程健康监护系统的异构互联数据库能够实现所有不同子系统的部分DBMS的一致管理，完成每个数据库间的信息数据资源分享。在逻辑上可以把它们当做同一逻辑库进行运行，然后，使用对异构型数据库DBMS的互联可以达到异构型数据库的数据分享。4.2.2终端系统互联的结构设计远程健康监护系统局域网是一个分布式开放型网络系统，由单个终端服务器和许多个BAN功能服务器组成，信息交互中的所有应用使用无线网络当做接口，在终端使用与BAN服务的赫尔数据交换完成信息交互，然后通过XML弥补异构数据源之间数据交互的漏洞，通过UMS技术将异构系统间的通讯转换为平台间的通讯，建成了一个合理的分布式家庭健康监护系统。远程健康监护系统在信息交互程序中全面对BAN体系开放，信息交互的所有传感器根本服从于BAN系统和其连接的终端信息交互平台定义的信息交互规则，与信息来源、系统情景和逻辑构成无关，为将来远程健康监护系统局域网体系的进一步发展给了一个良好的背景。4.2.3系统异构的互联应用流程为了实现物联网络异构互联的应用流程可以准确进行，首当其冲的是要找寻远程健康监护系统中至关重要的信息对象。然后将整理出的信息数据标准化，使信息交互变得简单，进而形成远程健康监护系统的医疗健康数据库。再根据标准的医疗健康数据体系，建成远程健康监护系统一致的数据中心，实现子系统之间、服务域间的信息分享交互和加工功能。物联网络异构互联数据库服务应用流程选择SOA模型，结合UMS技术解决异构系统互联的问题。系统包含两种应用流程：第一种是信息交互，通过UMS的方式进行信息传递；第二种是业务流程交互，通过Portal展示让人工服务参与进流程的交互。远程健康监护系统中心构成详尽的信息发布服务资源配分体系，全方面的找寻用户适用的健康监护资源服务，使用SOA访寻中心数据库，添加到服务端，适用UMS描述，医疗资源供给者收到信息并供给被需求的资源服务。物联网络异构互联数据库服务应用流程图如下：图3：物联网络异构互联数据库服务应用流程图4.3系统的实施远程健康监护系统使用基于物联网的信息服务平台的设计，适用面向家庭健康监护终端的UMS服务系统，在SOA框架系统下，实现B/S和C/S结合的全方面全模块架构开发。后台信息搜寻使用基于ODBC的SOA模型。模型主要应用物联网核心技术完成面向系统和服务的集成，满足严格的网络安全要求从而对系统实现提供支持。4.3.1平台系统服务功能分析基于物联网技术的远程健康监护平台系统是公共的、含有多种功能的通用医疗保健信息服务平台，应适应系统目标用户的需求，具体功能要求如下：远程健康监护用户管理登录验证远程健康监护终端——家庭局域网管理联网医疗保健机构——数据库互联管理健康监护信息UMS服务远程健康监护数据采集——BAN管理远程健康监护服务管理——标准管理医疗保健信息数据分析——信息搜寻远程健康监护诊治救护——远程会诊用户健康电子档案——医疗信息管理在线医疗保健服务引导——线下配套4.3.2终端系统应用功能分析远程健康监护终端系统使用无线射频技术与体域网关联，构建健康监护局域网，将BAN传感器收集的用户身体和生理数据进行预分析、通过数据交互然后传输到远程监护中心进行分析并反馈诊疗建议。家庭健康监护终端系统提供的功能，可用于发现监测用户的亚健康状态，避免慢性疾病的急性病并发症和代谢疾病，预防老年性疾病和流行病，根据家庭健康监护检测和评估的医学标准，基于物联网技术的远程健康监护终端系统整合BAN。4.3.3系统的物联网功能整合面向家庭的远程健康监护系统从物联网功能的角度来分析：面向家庭的远程健康监护系统基于SOA体系，而SOA以及支持SOA的架构具有松散耦合的特点。系统物联网功能整合的整体理念，是把系统架构划分成应用接入层、专业服务提供层、基础服务提供层、资源层和基础设施层，基于SOA的系统通过UMS实现统一用户接入。基于SOA的系统物联网功能整合参考架构如下图所示：图4：基于SOA的系统物联网功能整合参考架构系统经过物联网功能整合，构建了一个全面的共享服务平台，使体系内的所有设施之间互相联通，在此核心根本上进行革新并完善的面向家庭的远程健康监护系统具有标准开放、灵活稳定、可靠实用的特点。课题总结及展望5.1课题总结由于亚健康人群的增长和人口老年化、人们身患慢性病的进程加快,医疗保健行业十分需要造价低廉、安全有效的远程健康监护服务系统，可以解决医疗卫生资源匮乏和医疗服务需求日益增长所引发的矛盾。本设计阐述了物联