智能穿戴設備監測數據的分析及研究

陳坤銘++亓相濤

摘 要：智能穿戴設備針對老人、兒童和殘疾人的身體生理指標和運動軌跡進行監測。老人、兒童和殘疾人的自理能力差，多數時間身邊無人照看，突發狀況無法預料，智能穿戴設備的監測功能可以彌補無人照看這段時間的空缺，若突發疾病，則設備自動發出警報告知親屬和救護中心，及早采取措施挽救老人、兒童和殘疾人的生命。弱勢人群的親屬判定弱勢人群為失蹤后，智能穿戴設備可迅速報警，記錄身體的生理數據、運動軌跡以及移動速度為警方和弱勢人群的親屬尋找提供了明確線索。論文運用文獻資料法、數據分析法探討智能穿戴設備解決現有老人、兒童和殘疾人無人照看及老人、兒童和殘疾人人口失蹤的社會問題。

關鍵詞：智能穿戴；生理指標；運動軌跡；文獻資料法；數據分析法

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

智能穿戴設備將人體的健康數據融入了互聯網，使人與機器交流更自然和本源。智能穿戴設備將人體生理、運動規律以數據的形式直觀地展示出來，能為穿戴者的飲食規律、運動方式、定位以及就醫治療提供確切的數據依據。智能穿戴設備相較于智能手機，能監測人體生理、運動規律等數據，內容更加豐富，彌補了智能手機在人體生理指標、運動規律監測方面的不足。在老人、兒童和殘疾人遭受傷害時，及時提醒監護人為他們提供幫助，在治療期間提供可靠依據，把握最佳治療時間。在老人、兒童和殘疾人失蹤后，可為警察或親屬提供尋找方向。

1 研究背景

1.1 社會背景

據不完全統計，中國每年的失蹤兒童有20萬左右，找回率不足0.1%，兒童丟失對每個家庭來說都是一個非常沉重的打擊，是一個永遠都無法彌補的傷痛。中國正快速進入老齡化社會，2010年中國60歲以上的老人有1.69億，且這個數據每年都在穩步上升，到2050年，中國60歲以上的老人將達到4億，而中國60歲以上的老人約有58%患有不同程度的老年癡呆癥，也因此導致每年老人走失率居高不下，達到76萬人左右。雖然政府部門每年都投入大量資金以期改變現狀，但并沒有起到良好的效果。目前我國有6 000多萬殘疾人，其中聽力、語言殘疾有2 057萬人，視力殘疾有877萬人，智力殘疾有1 182萬人，肢體殘疾有877萬人，精神殘疾有225萬人，多重及其他殘疾有782萬人。老人、兒童和殘疾人基數龐大，國家財政壓力大，致使這些弱勢人群的身體健康難以得到保障。

1.2 技術背景

2009年，IMB提出“智慧地球”的戰略，后被美國提升為國家戰略，同年，溫家寶總理進行了“感知中國”的講話，如今物聯網正悄然改變著人們的生活，如同當年美國建立的“信息高速公路”，已逐漸滲透到日常生活、工作和學習中。發達的信息技術為獲取人體生理數據提供了基礎。運用物聯網的相關概念，建立一套監測老人、兒童和殘疾人身體狀態的機制。后臺數據中心得到老人、兒童和殘疾人的生理數據后，利用云計算的快速分析能力與出色的決策能力來贏取寶貴的搶救時間和尋找時間。

2 技術分析

2.1 藍牙技術

藍牙是一種短距離無線傳輸數據的技術標準，成本低，有配對驗證的過程，智能穿戴設備的數據與其他帶有藍牙的移動端建立通訊前，需要手動驗證，監護人根據需要綁定一個或多個移動端。

監護人與穿戴者距離較近時，藍牙開始與GPRS一起傳輸數據，后者將數據傳輸到數據中心后，無需再發送到監護人的移動端。

2.2 ZigBee 技術

ZigBee技術是一種近距離，擁有低復雜度、低功耗、低速率、低成本特點的雙向無線通信技術，主要用于短距離、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸，因此非常適用于家電和小型電子設備間的無線控制指令傳輸[1]。

ZigBee技術能將多個智能穿戴設備組合，只需其中一個智能穿戴設備包含GPRS模塊就能遠距離將所有智能穿戴設備采集的數據發送到上位機，在遠距離數據傳輸時，極大地保證了智能穿戴設備功耗低、成本低和結構精簡等優勢。

ZigBee技術的高安全性能有效確保數據的安全性，不會被輕易獲取，使用訪問控制清單（Access Control List， ACL）或采用高級加密標準（AES 128）的對稱密碼能很好地保護數據。

2.3 GPRS技術

通用分組無線業務（General Packet Radio Service， GPRS）是在現有GSM移動通信系統基礎上發展起來的一種移動分組數據業務。

GPRS可以看作是在原有GMS電路交換系統的基礎上進行的業務擴充，由新增的網絡實體對GMS數據進行旁路擴展，支持移動用戶利用分組數據移動終端接入Internet或其他分組數據網絡，由原GSM網絡完成語音功能[2]。

GPRS技術解決了遠距離監控穿戴者身體生理數據和運動狀態時的數據遠距離傳輸問題。

2.4 云計算技術

美國國家標準技術研究院對云計算的定義是，一種將網絡、服務器、存儲和軟件應用等通過泛在、方便、按需獲取的手段從可分配計算資源池中獲得服務的方式[3]。

云計算在智能穿戴設備中的應用主要是通過分析穿戴者的狀態進行決策，從而實現迅速反應的機制。智能穿戴設備采集數據到云計算決策流程如圖1所示。

圖1 智能穿戴設備采集數據到云計算的決策流程

2.5 嵌入式系統技術

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件可裁剪，滿足應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴格要求的專用計算機系統[4]。

智能穿戴設備采集老人、兒童和殘疾人的各種生理數據，包括心率、血壓、體溫、移動速度等，各種傳感器得到的電信號經模數轉換后，將模擬信號轉換成數據，再經過GPRS、ZigBee或藍牙模塊將數據發送到服務器或手機等移動端。

智能穿戴設備要保證在不同極端情況下的可靠性，防水、防震、耐高溫等都是設計電路板時要考慮的。

使用對象的社會階層復雜，推出的智能穿戴設備產品要顧及家庭困難的穿戴者，智能穿戴設備要做到廉價，覆蓋多數人。

對于老人、兒童和殘疾人，要考慮到行動能力、自理能力差等因素，智能穿戴設備必須穿戴方便，貼身攜帶，體積小，重量輕。

確保智能穿戴設備擁有最低功耗及持久的續航能力以保證數據的連貫性。

3 數據流構建

利用云計算技術將穿戴者的心率、血壓、體溫、移動速度等數據綜合在一起，分析穿戴者的生理狀態和運動狀態。智能穿戴設備針對老人、兒童和殘疾人，主要判定他們處在正常生理狀態、危險生理狀態、可見狀態和丟失狀態中的哪一種。

3.1 正常生理狀態

正常生理狀態與各項生理指標是充分必要條件的關系，任何一項生理指標超出或低于正常指標范圍時，佩戴者都不屬于正常生理狀態，正常生理狀態條件較苛刻。列舉以下生理指標范圍。各年齡人群的心率范圍如表1所列。

各年齡人群的血壓平均值范圍如表2所列。

中國新生兒 12歲健康人平靜時血壓平均值范圍見表3所列。

各年齡人群的體溫范圍如表4所列。

在后臺數據中心數據庫運用一定的算法設置好年齡、性別及發病史綜合條件下的各生理指標的數值范圍，穿戴者只需在使用智能穿戴設備前提交年齡、性別及發病史等其他身體基本信息后即可開始監測身體狀態。

3.2 危險生理狀態

在后臺數據中心記錄穿戴者的身體生理軌跡。智能穿戴設備按照編寫的協議，在一段時間內將采集的數據發送到后臺數據中心，運用云計算快速處理分析數據。穿戴者處于危險生理狀態時，能及時反饋并發出警告，降低服務器崩潰風險，避免數據中心的反饋延遲。后臺數據中心后期能生成報告，為穿戴者恢復健康采取措施提供可靠的數據支撐。

智能穿戴設備的后臺數據與救護中心共享，在穿戴者處于危險生理狀態時，救護中心及時準備好救護藥品和救護設備，派出救護人員在最短的時間內挽救穿戴者的生命。老人、兒童和殘疾人處于危險生理狀態時智能穿戴設備的自動呼救流程如圖2所示。

3.3 可見狀態

可見狀態主要基于后臺數據中心記錄GPS模塊采集的數據?？梢姞顟B容易判斷，穿戴者的移動軌跡和移動速度與平時的數據相差無幾，也沒有超出預先設定好的活動范圍，則說明穿戴者處于可見狀態，監護人能及時聯系到穿戴者。

若穿戴者超出預先設定好的活動范圍或穿戴者的移動軌跡和移動速度與平時的數據相差甚遠，則監護人需要確認穿戴者是否被拐賣、失蹤，若取消丟失狀態，則恢復為可見狀態。

3.4 丟失狀態

智能穿戴設備中的GPS模塊收集穿戴者的運動數據，在后臺數據中心運用一定的算法來記錄穿戴者的運動軌跡和移動速度。智能穿戴設備、后臺數據中心、PC端、手機和平板移動端都針對兒童、老年癡呆癥患者及其他自理能力差的人群提供追蹤服務，自動報警。

市場上少數智能穿戴設備能設定穿戴者的活動范圍，穿戴者若超出設定的活動范圍，數據中心迅速推送警告至PC端、手機和平板移動端，PC端、手機和平板移動端的監護人判定是否為迷路或失蹤，若確定穿戴者未迷路或失蹤，可取消警告。

穿戴者未超出設定的活動范圍，監護人也可自行設置為丟失狀態。設定丟失狀態的意義在于能及時發現穿戴者的去向并自動報警，配合警方在最短時間內找到穿戴者。

智能穿戴設備的后臺數據與警方共享，在穿戴者處于失蹤狀態時，警方迅速出警，根據穿戴者的移動軌跡和移動速度來調度人員，設置關卡。弱勢人群處于丟失狀態時智能穿戴設備的自動報警流程如圖3所示。

圖3 弱勢人群處于丟失狀態智能穿戴設備自動報警流程

在二十多年前，美國已經提出了針對兒童失蹤這一社會問題的解決方案——Amber系統。Amber系統通過電臺、電視臺、電子郵件、交通提示、短信、Facebook、Google 等多種渠道向全國發布失蹤兒童信息，發布內容由警方決定，通常包含失蹤兒童的特征、嫌疑犯特征以及嫌犯的車輛描述和車牌號[5]。

借鑒美國已有實例，國內的智能穿戴設備主要針對自理能力差的人群被拐賣綁架的現象，國內企業可開發相應的數據庫，建立能供警方隨時調用的數據中心，為有效打擊人口販賣的犯罪行為及尋找失蹤人口提供明確的線索。

4 信息安全防護

穿戴者的身體生理數據屬于個人隱私，而針對老人、兒童和殘疾人設計的穿戴設備若泄露了生理數據則比較危險。

4.1 基層數據封裝加密

智能穿戴設備在發送數據前將基層數據封裝加密，即使非法上位機獲得了智能穿戴設備的數據包，也不能成功解密數據包。例如使用經典對稱加密算法DSE和非對稱加密算法RSA等對發送數據進行加密。

4.2 后臺數據中心防護

4.2.1 數據加密

在云計算平臺下加密數據，數據所有者首先使用相同的公鑰加密數據，然后上傳密文到云服務提供商。云服務提供商將密文重加密為用戶公鑰加密的密文，然后再返回給用戶[6]。

4.2.2 訪問控制

可以根據訪問結構產生系統密鑰或密文，以確保滿足指定條件的用戶才可以解密訪問[6]。訪問者必須擁有合法的用戶身份，且用戶的訪問身份因實際生活中的角色而限制權限，比如數據開發人員、指定的醫生和指定的警察有最高訪問權限，可隨時調取數據。

4.3 密文檢索

用戶首先使用搜索加密機制對數據加密，然后將密文存儲在云服務器中，當用戶需要搜索某個關鍵字時，可以將該關鍵字的檢索憑證發給云服務器，云服務器將接收到的檢索憑證與每個密文匹配，如果匹配成功，則說明該加密數據包含該關鍵字。最后云服務器將所有匹配成功的密文發回給用戶。在收到搜索結果之后，用戶再對返回的密文進行解密[6] 。

5 結 語

隨著物聯網、云計算等新行業的發展，智能穿戴設備的發展趨勢為更智能、小巧、人性化。智能穿戴設備在科技的發展中，已逐漸進入人們的生活，并成為生活中的必需品，就如智能手機的興起一樣。但現階段存在的問題在于如何將智能穿戴設備做的更人性化，以彌補手機無法完成的功能，觸及人們的需求痛點，挽救老人、兒童和殘疾人的生命健康，減少老人、兒童和殘疾人的失蹤問題。

參考文獻

[1]姜仲，劉丹.ZigBee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網技術[M].北京：清華大學出版社，2014.

[2]申力.基于GPRS的數據傳輸應用[D].南京：南京理工大學，2004.

[3]劉森.云計算技術的價值創造及作用機理研究[D].杭州：浙江大學，2014.

[4]韓光輝，曾世平.嵌入式系統開發[M].北京：機械工業出版社，2015.

[5]李慧翔.三名兒童改變美國歷史——美國的失蹤兒童干預系統[J].科學大觀園，2013（12）：23-24.

[6]黃勤龍.云計算平臺下數據安全與版權保護技術研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[7]翁祖泉，張琪.基于物聯網海量數據處理的數據庫技術分析與研究[J].物聯網技術，2014，4（6）：88-90.

[8]張艷玲，田軍委，柯成虎.嵌入式智能家居物聯網網關系統設計[J].物聯網技術，2016，6（8）：105-107.