基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統設計與實現研究

申超群 周航

摘要：隨著科技的進步，互聯網技術越來越發達，互聯網+ 醫療健康是目前形勢下一種健康管理的創新模式，另外，兒童健康與保健服務不僅是社會重要關注點，而且也是衛生服務領域的重要組成部分。本文通過深入調查中國兒童的生理特征及健康情況，以及常發疾病的種類及詳細特征，運用物聯網與大數據、云計算、人工智能、移動互聯網等信息技術，進行兒童健康監測、兒童舌象智能識別與診斷、兒童健康監測智能評估與預警系統、兒童健康大數據監測云平臺開發、移動終端應用等研究，建立一套全面反映兒童健康狀態的評估及預警理論體系。

關鍵詞：物聯網大數據;“互聯網+”醫療健康;兒童健康智能管理

引言：現有的兒童健康監測主要是通過醫務人員利用傳統的測量方法進行健康監測，用紙質記錄并存檔，這種方式具有數據容易丟失，并且不易翻閱等缺點，更大的問題在于家長不能實時獲得孩子的健康信息，不能及時守護孩子的健康。隨著云虛擬技術的飛速發展，云存儲不僅能夠無限量的存儲海量的數據，并且數據的安全性與隱密性得到了極大的保證，因此，利用智能硬件與云存儲等物聯網技術，不僅能夠讓家長實時監測到孩子的健康狀態，還更好地能滿足健康大數據的管理與隱密性[1]。

一、研究現狀及意義

（一）研究現狀

德國是歐洲開展居民綜合健康監測較早的國家之一，其針對本國居民健康的監測系統具有系統性、長期性和科學性的特點，尤其是按照不同人群年齡及其階段特征進行了科學劃分。2003年建立的“德國兒童青少年健康訪查調研項目（KiGGS）”是在前期成年人綜合健康狀況長期追蹤研究的基礎上開展的又一項針對0～17歲人群體質健康狀況縱向研究的調查體系[2]。

隨著“互聯網+”時代的到來，兒童健康監測迎來了新的發展模式。2015年在政府工作報告中，李克強總理首次提出了制定“互聯網+”計劃，指出了“推動移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等與現代制造業的結合，促進電子商務、工業互聯網和互聯網金融健康發展，引導互聯網企業拓展國際市場”。目前已有的運用互聯網技術的醫療模式是讓人們在尋求醫療救助時，通過多種求醫途徑的選擇，取得更好的效果，這已成為一種醫療保健服務和醫療救護的新模式，開始改變了人們傳統的醫學觀念，就醫方式，診療行為及醫學科研模式等。智慧兒童健康監測系統通過將傳統思維和互聯網思維的結合，用技術聯合的方法，最終實現多個方面多種功能“1+1>2”的良好效果[3]。

現有的健康監測裝置都只是監測了一些基本的人體生理數據，并且存在大部分健康數據都是通過估算所得，這并不能真正的反映人體健康情況。隨著近幾年我國大力發展傳統醫學，中醫的優勢正在慢慢突顯出來，僅僅通過“望聞問切”就能知曉身體內部的健康狀態，這種診斷方式及其適合現代移動醫療便捷式的需求，同時傳統中醫的醫學理論極大的符合現代健康最關注的個性化健康管理的需求。因此，深度融合現代醫學兒童健康與傳統醫學兒童健康兩種醫學體系，構建一套能夠真正反映身體健康狀態的智慧兒童健康狀態評價方法，運用大數據技術，智能分析健康變化趨勢，防微杜漸，能夠極大的彌補當前兒童健康監測與兒童醫療診斷的不足，具有十分深遠的影響。

（二）研究意義

兒童屬于需要特殊保護人群，兒童健康是民族健康的重要基礎。根據統計發現，從20世紀90年代起，兒童死亡的降低率已經獲得了很大的進展，這體現出國家和家庭對兒童健康的重視。兒童健康與保健服務不僅是社會重要關注點，而且也是衛生服務領域的重要組成部分，在衡量一個國家社會、經濟、文化全面發展的指標中，兒童健康的服務與管理水平也是其中重要一環。隨著全面二胎政策的實施，新生兒的數量將會大幅度增加，同時兒科醫療資源的供需矛盾日益突出，兒科就醫“難上加難”。定期給孩子做健康檢查可以隨時了解孩子的生長發育和健康狀況，早期發現孩子生長異常和疾病，使家長盡早采取相應措施進行干預，指導家長做好科學育兒及疾病預防工作，可促進兒童健康成長，緩解患兒多醫生少的醫療現狀。

隨著科技的進步，互聯網技術越來越發達，互聯網+ 醫療健康是目前形勢下一種健康管理的創新模式，它不僅可以提供患者的疾病風險評估，幫助患者認清自身的健康情況，進行科學有效的疾病預防，而且也可以幫助患者在院內就醫時，使就醫流程進一步優化。因此，發揮互聯網+ 醫療健康的優勢，綜合運用云技術，研究兒童健康監測系統具有十分重要的意義。

本論文利用移動診療技術、健康物聯網技術、大數據云計算技術和可穿戴信息采集終端，能夠加快推進“互聯網+”模式下的新型診療、醫養結合、個性化健康保障、中醫“治未病”等服務的新模式、新業態的發展，對于建立醫患直接溝通、診斷、干預的網絡創新平臺并開展多元化醫療服務模式示范，促進不同層級醫院的整合服務和區域協同，構建覆蓋醫院、社區、家庭、個體的閉環持續性疾病管理模式，構建“互聯網+”醫療健康科技示范，有著十分重要的現實意義。

論文研究與“十三五”衛生與健康科技創新專項規劃的國家戰略規劃項目相吻合，必將推進中國兒童健康監測體系建設，為健康標準的制定和政府健康管理提供重要依據，促進國家健康管理工作的高效有序進行。

二、基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統設計

基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統設計研究，是通過深入調查中國兒童的生理特征及健康情況，以及常發疾病的種類及詳細特征，建立一套全面反映兒童健康狀態的評估及預警理論體系。

本文全面運用了物聯網與大數據、云計算、人工智能、移動互聯網等信息技術，攻克兒童健康監測、兒童舌象智能識別與診斷、兒童健康監測智能評估與預警系統、兒童健康大數據監測云平臺開發、移動終端應用等技術難題;依靠健康大數據，融合現代醫學兒童健康與傳統兒童醫學健康兩種醫學體系，開展醫學大數據分析和機器學習等技術研究，構建出智慧兒童健康監測系統，進而研發出一套面向兒童的一體化智能健康監測裝置。包含以下四大模塊。

（1）???? 兒童健康監測

在現有健康監測的基礎上，建立個人基本信息檔案、采集兒童身體數據信息并加工反饋、構建規范化兒童健康大數據監測平臺、兒童健康監測移動終端的建立等來實現“監測+ 記錄+ 家長知道+ 醫師分析”的系統。

（2）???? 兒童舌象智能識別與診斷

考慮到兒童舌像的捕捉檢測難度，在現有的人臉識別方式基礎上，研究采用YOLOV3算法對人臉識別和舌象進行檢測，并用Python語言編寫的上位機上展示完成，并在后臺進行數據分析。

（3）???? 兒童健康監測智能評估與預警系統

采用復合傳感器對兒童健康進行準確監測，并通過與健康數據的比對評估，進行分析預警。

（4）???? 兒童健康大數據監測云平臺開發、移動終端應用

采用物聯網監測云平臺的三層機構，通過將感知層獲取的生理測量參數通過網絡層的高效傳輸傳送到應用層的App端和網頁監測端。

三、基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統設計實現

（一）系統設計方案

為實現“監測+ 記錄+ 家長知道+ 醫師分析”的系統方案，基于物聯網大數據的兒童健康管理系統設計框圖如圖1 所示。

其主要分為以下幾個步驟：

（1）???? 建立個人基本信息檔案。針對兒童健康監護不足的問題，深入調查中國兒童的生理特征及健康情況，以及常發疾病的種類及詳細特征，全面運用傳感器、嵌入式系統控制及圖像處理與分析、物聯網與大數據、云計算、人工智能、移動互聯網等信息技術，開展智能兒童健康監測系統的研究設計;

（2）???? 采集兒童身體數據信息并對數據進行預處理。綜合利用傳感器與圖像技術采集兒童的口腔舌苔圖像、面部圖像、膚表體溫、心電圖、心率、體重和身高信息，并使用相應的處理電路對采集數據進行預處理，微處理器將存儲數據打包加密，通過無線傳輸，將數據打包發送至健康大數據云平臺;

（3）???? 構建規范化兒童健康大數據監測平臺。結合云計算、數據挖掘、圖像識別、機器學習等方法，融合現代醫學兒童健康與傳統兒童醫學健康兩種醫學體系，對輸入數據進行分析，將結果帶入到健康大數據評價模型，得出最準確最合理的健康狀態評價結果，完成健康大數據監測云平臺開發研究;

（4）???? 兒童健康監測移動終端的建立。通過無線通訊網絡將兒童健康結果發送至用戶的智能終端，以圖表形式可視化的將結果展現給用戶，用戶能夠查看實時與歷史的各項生理健康數據，當綜合健康評價結果判定兒童的某項指標異常時，將該異常的詳細信息發送至家長或監護人的智能終端。

（二）模塊的設計與實現

從實際工程角度出發，為了滿足基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統的總體要求，設計一款兒童健康管理機器人平臺。該平臺主要能滿足兒童基本健康指標的監測，智能地對不同兒童面部進行人臉識別，在與兒童互動的“做鬼臉”游戲中智能采集舌苔圖像，并通過物聯網的方式將相應的數據進行傳輸到指定家長手機上和醫師后臺，家長能實時獲取孩子的健康指標狀態，醫師能進行分析并推送相應診斷建議，從而形成一整套人性化的可用、可觀、可監測、可分析的智慧健康管理系統。

基礎體測評估系統是基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統的感知層部分，主要涉及傳感器、嵌入式等技術。整個基礎體測評估系統通過采集基礎的生理特征參數，其主要包含身高、體重、體溫、心率等，這些基礎指標能快速直觀的監測兒童的外在表征出的生理狀況，如發燒感冒、肥胖指數、心律不齊的癥狀。

與此同時，為了保證采集數據的平穩準確，考慮到兒童的配合程度，采用語音交互的方式激勵兒童按照指定來玩游戲。

人臉識別和舌象捕捉主要涉及人工智能及大數據技術，它是基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統的特色之一。它將當下十分流行的研究融入到實際應用之中，其中人臉識別包含人臉檢測及人臉辨識;舌象捕捉識別包括了舌象檢測、舌象抓取等。為了使整體的效果易于展現，人臉識別和舌象檢測均使用YOLOV3算法，在Python語言編寫的上位機上展示完成，人臉辨識部分和舌象分析在后臺完成。

基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統的監測云平臺設計涉及物聯網與大數據、云計算與移動互聯網等信息技術，它是本機器人的技術核心所在。物聯網云平臺設計旨在通過將感知層獲取的生理測量參數通過網絡層的高效傳輸傳送到應用層的App端和網頁監測端。本論文設計的物聯網監測云平臺采用常見的三層機構，從下而上包含感知層、傳輸層和應用層。

（三）結果與分析

通過本論文設計的基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統，能夠達到以下指標。

（1）???? 心率、體溫、升高、體重等數據獲取準確，上下浮動不超過2%。

（2）???? 人臉識別具有較好的效果，能在光線亮和光線暗的情況下對人臉進行識別，準確率達到90%以上。

（3）???? 能準確地框選出舌象部分，并能在3 秒內快速獲取圖像。

（4）???? 比對結果可以通過微信小程序平臺查看，并可將各項參數指標上傳完成，醫師后臺能夠對兒童反饋回的信息進行查看，并可以給出診斷建議。

結論：本文根據中國兒童的生理特征及健康情況，以及常發疾病的種類及詳細特征，建立一套全面反映兒童健康狀態的評估及預警理論體系，運用物聯網與大數據、云計算、人工智能、移動互聯網等信息技術，以攻克兒童健康監測、兒童舌象智能識別與診斷、兒童健康監測智能評估與預警系統、兒童健康大數據監測云平臺開發、移動終端應用等技術難題，研發出了一套面向兒童的一體化智能健康監測裝置。依靠健康大數據，融合現代醫學兒童健康與傳統兒童醫學健康兩種醫學體系，開展醫學大數據分析和機器學習等技術研究，構建出智慧兒童健康監測系統。在未來應用階段，經過不斷改進，基于物聯網大數據的兒童健康智能管理機器人將更加智能化、更加規范化，更加科學化，并能得到廣泛應用，不僅方便于兒童健康管理，也為健康產業帶來新的經濟機遇。

參考文獻：

[1]?? 潘周光.基于PVDF壓電薄膜的非接觸式人體生理信號檢測系統研究[D].南京信息工程大學2018

[2]?? 李延軍，李瑩輝，余新明.穿戴式健康監測設備的現狀與未來[J].航天醫學與醫學工程.2016（03）

[3]?? 邱瀚.新形勢下推進大數據應用的若干思考[J].科技創新與應用.2017（09）

作者簡介：

申超群，1982.05，女，河南開封人，碩士研究生，副教授，研究方向：物聯網大數據、智能控制、圖像處理等

基金項目：1.河南省2020年科技發展計劃（科技攻關）項目（項目號：202102210366，項目名稱：基于物聯網大數據的兒童健康智能管理系統設計與實現研究）;2.2019年度河南省高等職業學校青年骨干教師培養計劃（項目號：2019GZGG100）;3.河南省教育科學“十三五”規劃2020年度一般課題（項目號：2020YB0534，項目名稱：PULL式供應鏈視角下高職設計類專業線場模式研究）;4.2019年教育教學改革研究與實踐項目（項目號：JGC1918，項目名稱：基于格斗機器人比賽的融課程研究）