陳坤銘++亓相濤

摘 要：智能穿戴設(shè)備針對(duì)老人、兒童和殘疾人的身體生理指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行監(jiān)測(cè)。老人、兒童和殘疾人的自理能力差，多數(shù)時(shí)間身邊無人照看，突發(fā)狀況無法預(yù)料，智能穿戴設(shè)備的監(jiān)測(cè)功能可以彌補(bǔ)無人照看這段時(shí)間的空缺，若突發(fā)疾病，則設(shè)備自動(dòng)發(fā)出警報(bào)告知親屬和救護(hù)中心，及早采取措施挽救老人、兒童和殘疾人的生命。弱勢(shì)人群的親屬判定弱勢(shì)人群為失蹤后，智能穿戴設(shè)備可迅速報(bào)警，記錄身體的生理數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)軌跡以及移動(dòng)速度為警方和弱勢(shì)人群的親屬尋找提供了明確線索。論文運(yùn)用文獻(xiàn)資料法、數(shù)據(jù)分析法探討智能穿戴設(shè)備解決現(xiàn)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(huì)問題。

關(guān)鍵詞：智能穿戴；生理指標(biāo)；運(yùn)動(dòng)軌跡；文獻(xiàn)資料法；數(shù)據(jù)分析法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-03

0 引 言

智能穿戴設(shè)備將人體的健康數(shù)據(jù)融入了互聯(lián)網(wǎng)，使人與機(jī)器交流更自然和本源。智能穿戴設(shè)備將人體生理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律以數(shù)據(jù)的形式直觀地展示出來，能為穿戴者的飲食規(guī)律、運(yùn)動(dòng)方式、定位以及就醫(yī)治療提供確切的數(shù)據(jù)依據(jù)。智能穿戴設(shè)備相較于智能手機(jī)，能監(jiān)測(cè)人體生理、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等數(shù)據(jù)，內(nèi)容更加豐富，彌補(bǔ)了智能手機(jī)在人體生理指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律監(jiān)測(cè)方面的不足。在老人、兒童和殘疾人遭受傷害時(shí)，及時(shí)提醒監(jiān)護(hù)人為他們提供幫助，在治療期間提供可靠依據(jù)，把握最佳治療時(shí)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(huì)背景

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年的失蹤兒童有20萬左右，找回率不足0.1%，兒童丟失對(duì)每個(gè)家庭來說都是一個(gè)非常沉重的打擊，是一個(gè)永遠(yuǎn)都無法彌補(bǔ)的傷痛。中國(guó)正快速進(jìn)入老齡化社會(huì)，2010年中國(guó)60歲以上的老人有1.69億，且這個(gè)數(shù)據(jù)每年都在穩(wěn)步上升，到2050年，中國(guó)60歲以上的老人將達(dá)到4億，而中國(guó)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(dǎo)致每年老人走失率居高不下，達(dá)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(xiàn)狀，但并沒有起到良好的效果。目前我國(guó)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(shù)龐大，國(guó)家財(cái)政壓力大，致使這些弱勢(shì)人群的身體健康難以得到保障。

1.2 技術(shù)背景

2009年，IMB提出“智慧地球”的戰(zhàn)略，后被美國(guó)提升為國(guó)家戰(zhàn)略，同年，溫家寶總理進(jìn)行了“感知中國(guó)”的講話，如今物聯(lián)網(wǎng)正悄然改變著人們的生活，如同當(dāng)年美國(guó)建立的“信息高速公路”，已逐漸滲透到日常生活、工作和學(xué)習(xí)中。發(fā)達(dá)的信息技術(shù)為獲取人體生理數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念，建立一套監(jiān)測(cè)老人、兒童和殘疾人身體狀態(tài)的機(jī)制。后臺(tái)數(shù)據(jù)中心得到老人、兒童和殘疾人的生理數(shù)據(jù)后，利用云計(jì)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(shí)間和尋找時(shí)間。

2 技術(shù)分析

2.1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是一種短距離無線傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，成本低，有配對(duì)驗(yàn)證的過程，智能穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)與其他帶有藍(lán)牙的移動(dòng)端建立通訊前，需要手動(dòng)驗(yàn)證，監(jiān)護(hù)人根據(jù)需要綁定一個(gè)或多個(gè)移動(dòng)端。

監(jiān)護(hù)人與穿戴者距離較近時(shí)，藍(lán)牙開始與GPRS一起傳輸數(shù)據(jù)，后者將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心后，無需再發(fā)送到監(jiān)護(hù)人的移動(dòng)端。

2.2 ZigBee 技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離，擁有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本特點(diǎn)的雙向無線通信技術(shù)，主要用于短距離、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸，因此非常適用于家電和小型電子設(shè)備間的無線控制指令傳輸[1]。

ZigBee技術(shù)能將多個(gè)智能穿戴設(shè)備組合，只需其中一個(gè)智能穿戴設(shè)備包含GPRS模塊就能遠(yuǎn)距離將所有智能穿戴設(shè)備采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，極大地保證了智能穿戴設(shè)備功耗低、成本低和結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)等優(yōu)勢(shì)。

ZigBee技術(shù)的高安全性能有效確保數(shù)據(jù)的安全性，不會(huì)被輕易獲取，使用訪問控制清單（Access Control List， ACL）或采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對(duì)稱密碼能很好地保護(hù)數(shù)據(jù)。

2.3 GPRS技術(shù)

通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service， GPRS）是在現(xiàn)有GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

GPRS可以看作是在原有GMS電路交換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的業(yè)務(wù)擴(kuò)充，由新增的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體對(duì)GMS數(shù)據(jù)進(jìn)行旁路擴(kuò)展，支持移動(dòng)用戶利用分組數(shù)據(jù)移動(dòng)終端接入Internet或其他分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，由原GSM網(wǎng)絡(luò)完成語音功能[2]。

GPRS技術(shù)解決了遠(yuǎn)距離監(jiān)控穿戴者身體生理數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸問題。

2.4 云計(jì)算技術(shù)

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院對(duì)云計(jì)算的定義是，一種將網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)和軟件應(yīng)用等通過泛在、方便、按需獲取的手段從可分配計(jì)算資源池中獲得服務(wù)的方式[3]。

云計(jì)算在智能穿戴設(shè)備中的應(yīng)用主要是通過分析穿戴者的狀態(tài)進(jìn)行決策，從而實(shí)現(xiàn)迅速反應(yīng)的機(jī)制。智能穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)到云計(jì)算決策流程如圖1所示。

圖1 智能穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)到云計(jì)算的決策流程

2.5 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件可裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]。

智能穿戴設(shè)備采集老人、兒童和殘疾人的各種生理數(shù)據(jù)，包括心率、血壓、體溫、移動(dòng)速度等，各種傳感器得到的電信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)，再經(jīng)過GPRS、ZigBee或藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器或手機(jī)等移動(dòng)端。

智能穿戴設(shè)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(shè)計(jì)電路板時(shí)要考慮的。

使用對(duì)象的社會(huì)階層復(fù)雜，推出的智能穿戴設(shè)備產(chǎn)品要顧及家庭困難的穿戴者，智能穿戴設(shè)備要做到廉價(jià)，覆蓋多數(shù)人。

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

確保智能穿戴設(shè)備擁有最低功耗及持久的續(xù)航能力以保證數(shù)據(jù)的連貫性。

3 數(shù)據(jù)流構(gòu)建

利用云計(jì)算技術(shù)將穿戴者的心率、血壓、體溫、移動(dòng)速度等數(shù)據(jù)綜合在一起，分析穿戴者的生理狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。智能穿戴設(shè)備針對(duì)老人、兒童和殘疾人，主要判定他們處在正常生理狀態(tài)、危險(xiǎn)生理狀態(tài)、可見狀態(tài)和丟失狀態(tài)中的哪一種。

3.1 正常生理狀態(tài)

正常生理狀態(tài)與各項(xiàng)生理指標(biāo)是充分必要條件的關(guān)系，任何一項(xiàng)生理指標(biāo)超出或低于正常指標(biāo)范圍時(shí)，佩戴者都不屬于正常生理狀態(tài)，正常生理狀態(tài)條件較苛刻。列舉以下生理指標(biāo)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(guó)新生兒 12歲健康人平靜時(shí)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(tái)數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫運(yùn)用一定的算法設(shè)置好年齡、性別及發(fā)病史綜合條件下的各生理指標(biāo)的數(shù)值范圍，穿戴者只需在使用智能穿戴設(shè)備前提交年齡、性別及發(fā)病史等其他身體基本信息后即可開始監(jiān)測(cè)身體狀態(tài)。

3.2 危險(xiǎn)生理狀態(tài)

在后臺(tái)數(shù)據(jù)中心記錄穿戴者的身體生理軌跡。智能穿戴設(shè)備按照編寫的協(xié)議，在一段時(shí)間內(nèi)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，運(yùn)用云計(jì)算快速處理分析數(shù)據(jù)。穿戴者處于危險(xiǎn)生理狀態(tài)時(shí)，能及時(shí)反饋并發(fā)出警告，降低服務(wù)器崩潰風(fēng)險(xiǎn)，避免數(shù)據(jù)中心的反饋延遲。后臺(tái)數(shù)據(jù)中心后期能生成報(bào)告，為穿戴者恢復(fù)健康采取措施提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

智能穿戴設(shè)備的后臺(tái)數(shù)據(jù)與救護(hù)中心共享，在穿戴者處于危險(xiǎn)生理狀態(tài)時(shí)，救護(hù)中心及時(shí)準(zhǔn)備好救護(hù)藥品和救護(hù)設(shè)備，派出救護(hù)人員在最短的時(shí)間內(nèi)挽救穿戴者的生命。老人、兒童和殘疾人處于危險(xiǎn)生理狀態(tài)時(shí)智能穿戴設(shè)備的自動(dòng)呼救流程如圖2所示。

3.3 可見狀態(tài)

可見狀態(tài)主要基于后臺(tái)數(shù)據(jù)中心記錄GPS模塊采集的數(shù)據(jù)。可見狀態(tài)容易判斷，穿戴者的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度與平時(shí)的數(shù)據(jù)相差無幾，也沒有超出預(yù)先設(shè)定好的活動(dòng)范圍，則說明穿戴者處于可見狀態(tài)，監(jiān)護(hù)人能及時(shí)聯(lián)系到穿戴者。

若穿戴者超出預(yù)先設(shè)定好的活動(dòng)范圍或穿戴者的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度與平時(shí)的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，則監(jiān)護(hù)人需要確認(rèn)穿戴者是否被拐賣、失蹤，若取消丟失狀態(tài)，則恢復(fù)為可見狀態(tài)。

3.4 丟失狀態(tài)

智能穿戴設(shè)備中的GPS模塊收集穿戴者的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，在后臺(tái)數(shù)據(jù)中心運(yùn)用一定的算法來記錄穿戴者的運(yùn)動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度。智能穿戴設(shè)備、后臺(tái)數(shù)據(jù)中心、PC端、手機(jī)和平板移動(dòng)端都針對(duì)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(wù)，自動(dòng)報(bào)警。

市場(chǎng)上少數(shù)智能穿戴設(shè)備能設(shè)定穿戴者的活動(dòng)范圍，穿戴者若超出設(shè)定的活動(dòng)范圍，數(shù)據(jù)中心迅速推送警告至PC端、手機(jī)和平板移動(dòng)端，PC端、手機(jī)和平板移動(dòng)端的監(jiān)護(hù)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(shè)定的活動(dòng)范圍，監(jiān)護(hù)人也可自行設(shè)置為丟失狀態(tài)。設(shè)定丟失狀態(tài)的意義在于能及時(shí)發(fā)現(xiàn)穿戴者的去向并自動(dòng)報(bào)警，配合警方在最短時(shí)間內(nèi)找到穿戴者。

智能穿戴設(shè)備的后臺(tái)數(shù)據(jù)與警方共享，在穿戴者處于失蹤狀態(tài)時(shí)，警方迅速出警，根據(jù)穿戴者的移動(dòng)軌跡和移動(dòng)速度來調(diào)度人員，設(shè)置關(guān)卡。弱勢(shì)人群處于丟失狀態(tài)時(shí)智能穿戴設(shè)備的自動(dòng)報(bào)警流程如圖3所示。

圖3 弱勢(shì)人群處于丟失狀態(tài)智能穿戴設(shè)備自動(dòng)報(bào)警流程

在二十多年前，美國(guó)已經(jīng)提出了針對(duì)兒童失蹤這一社會(huì)問題的解決方案——Amber系統(tǒng)。Amber系統(tǒng)通過電臺(tái)、電視臺(tái)、電子郵件、交通提示、短信、Facebook、Google 等多種渠道向全國(guó)發(fā)布失蹤兒童信息，發(fā)布內(nèi)容由警方?jīng)Q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(hào)[5]。

借鑒美國(guó)已有實(shí)例，國(guó)內(nèi)的智能穿戴設(shè)備主要針對(duì)自理能力差的人群被拐賣綁架的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)企業(yè)可開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，建立能供警方隨時(shí)調(diào)用的數(shù)據(jù)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(hù)

穿戴者的身體生理數(shù)據(jù)屬于個(gè)人隱私，而針對(duì)老人、兒童和殘疾人設(shè)計(jì)的穿戴設(shè)備若泄露了生理數(shù)據(jù)則比較危險(xiǎn)。

4.1 基層數(shù)據(jù)封裝加密

智能穿戴設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)前將基層數(shù)據(jù)封裝加密，即使非法上位機(jī)獲得了智能穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)包，也不能成功解密數(shù)據(jù)包。例如使用經(jīng)典對(duì)稱加密算法DSE和非對(duì)稱加密算法RSA等對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

4.2 后臺(tái)數(shù)據(jù)中心防護(hù)

4.2.1 數(shù)據(jù)加密

在云計(jì)算平臺(tái)下加密數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)所有者首先使用相同的公鑰加密數(shù)據(jù)，然后上傳密文到云服務(wù)提供商。云服務(wù)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(jù)訪問結(jié)構(gòu)產(chǎn)生系統(tǒng)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?qū)嶋H生活中的角色而限制權(quán)限，比如數(shù)據(jù)開發(fā)人員、指定的醫(yī)生和指定的警察有最高訪問權(quán)限，可隨時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)。

4.3 密文檢索

用戶首先使用搜索加密機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)加密，然后將密文存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，當(dāng)用戶需要搜索某個(gè)關(guān)鍵字時(shí)，可以將該關(guān)鍵字的檢索憑證發(fā)給云服務(wù)器，云服務(wù)器將接收到的檢索憑證與每個(gè)密文匹配，如果匹配成功，則說明該加密數(shù)據(jù)包含該關(guān)鍵字。最后云服務(wù)器將所有匹配成功的密文發(fā)回給用戶。在收到搜索結(jié)果之后，用戶再對(duì)返回的密文進(jìn)行解密[6] 。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新行業(yè)的發(fā)展，智能穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)為更智能、小巧、人性化。智能穿戴設(shè)備在科技的發(fā)展中，已逐漸進(jìn)入人們的生活，并成為生活中的必需品，就如智能手機(jī)的興起一樣。但現(xiàn)階段存在的問題在于如何將智能穿戴設(shè)備做的更人性化，以彌補(bǔ)手機(jī)無法完成的功能，觸及人們的需求痛點(diǎn)，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。

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