CN106778051A - 一种基于国产cpu的哨位健康监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，可用于哨位环境信息数据的实时采集与监测分析。该系统主要由哨位监测前端、数据处理终端、数据安全传输三部分组成。哨位监测前端完成对哨兵生理参数和哨位环境参数的采集及初加工，再通过接入主干网络，将数据传输到监测终端服务器。哨位监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储，并接入到专家系统进行分析决策。利用大数据和人工智能对哨位的环境信息参数进行监测，实时监测哨位的健康监测。本发明提出了一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，与目前使用的哨位健康监测系统相比，可显著保证从源头保证数据信息安全，提高效率和测量精度。

Description

一种基于国产CPU的哨位健康监测系统

技术领域

本发明涉及国产CPU芯片的相关应用研究领域，涉及计算机视觉、计算机图形学、国产CPU以及传感器等相关技术，特指一种基于国产CPU的哨位健康监测系统。

背景技术

目前国产CPU芯片针对嵌入式和桌面系统都有产品问世，但基于国产CPU芯片的软件生态不完善，特别是桌面与服务器领域一直被国外产品垄断。

针对单一参数监测的技术实现相对成熟，但多参数的集成监测还较少；对哨位健康监测系统的研发尚未见公开报道，难度在于这些参数的检测原理、方法、手段差异较大。

为此，本发明提出一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，可用于哨位环境信息数据的实时采集与监测分析。该系统主要由哨位监测前端、数据处理终端、数据安全传输三部分组成。哨位监测前端完成对哨兵生理参数和哨位环境参数的采集及初加工，再通过接入主干网络，将数据传输到监测终端服务器。哨位监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储，并接入到专家系统进行分析决策。利用大数据和人工智能对哨位的环境信息参数进行监测，实时监测哨位的健康监测。本发明以基于国产CPU的形式，实现结哨位健康的检测，与目前使用的哨位健康监测系统相比，可显著保证从源头保证数据信息安全，提高效率和测量精度。

发明内容

本发明是为了克服传统哨位健康监测系统的不足，提出一种效率更高、精度更高、安全性更高的哨位健康监测系统。该系统通过采集哨兵的如脉率、血压、血氧饱和度等生理参数，与标准值进行实时或历史比对分析，提高对哨兵的有效看护。当紧急情况出现时，可通过一键呼叫功能，对突发生理状况的沙皇进行应急处置，实现对哨兵生理参数的实时采集与监测分析。通过采集哨位区域的如温度、湿度、PM2.5、空气细菌数量等环境信息数据，与相关标准值进行比对分析，从而提高对环境信息的有效掌控，为部队其它正常活动的开展提供基础保障，实现对哨位环境信息数据的实时采集与监测分析。通过在统一的监管平台下，实现对哨兵生理参数和哨位环境信息的集成采集、集成监控、集成管理，从而进一步提高监管效率。当被监测的哨兵生理参数或环境信息数据发生上限定或下限定超标时，可在统一的监管屏幕上动态实时显示，并发出超标报警信号，从而提醒管理人员迅速采取有效应对措施，实现对哨兵多生理参数和环境信息的集成融合智能监控。通过采用国产CPU处理器芯片，从计算平台的源头对用户认证、操作检查、访问控制、网络连接等方面设置并实施可靠安全措施，从而达到对不安全因素的有效防范和控制，实现对哨位环境下哨兵多生理信号参数和多环境信息参数的集合融合智能监控。

本发明完成哨位健康监测系统的步骤包括：S1：系统方案；S2：哨位监测前端设计；S3：哨位监测终端设计；S4：应用大数据和人工智能方法分析生理信号参数和环境信息参数，给出科学决策；

在步骤S1中，这个系统框架主要由哨位监测前端，数据处理终端、数据安全传输三部分组成，系统结构如图1如示。哨位监测前端完成对哨兵生理参数和哨位环境参数的采集及初加工，再通过接入主干网络，将数据传输到监测终端服务器。监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储，并接入到专家系统进行分析决策。

步骤S2中监测前端设计是这样的：前端由生理参数监测设备和智能网关组成，监测设备与网关之间使用短距离无线通信进行数据的传输。生理参数监测设备设计为便携可穿戴设备，哨兵穿戴后进行生理参数采集。智能网关分为两个模块，一部分是环境信息监测模块，完成对当前的环境信息进行监测；另一部分是网关模块，完成对生理采集设备数据的接收，并与环境信息数据进行组合、加密、打包，通过网络将这些数据发送到监控中心服务器。由于网络的开放性，同时需要考虑系统的安全性设计。

生理参数与环境参数的监测。对监测的生理指标的选择从医学需求和技术实现两方面考虑，既要满足医学上能够明显反应病人状态的生理参数，同时满足技术上可以实现的需求，生理采集所使用的传感器拥有精度准确、低功耗、体积小、容易集成的特点。

智能手环主控系统以嵌入式微处理器为主控芯片，具备极低的功耗控制及丰富的外设。电源模块采用锂电池为整个系统供电，设计续航时间至少一天，采用接触式充电方式。心率、血压、血氧饱和度的检测以相应的传感器将生理信号转换为电信号，输入到主控芯片进行分析处理，得到相应的生理指标，保证数据的实时准确。蓝牙通信模块通过低功耗蓝牙技术完成手环与智能网关的数据与指令的传输，通过串口通信与主控芯片进行数据交换。人机界面用于手环基本信息的展示，包括工作状态、数据连接状态、时间、基于参数等的显示。设计4个按键用于设备开关机、数据连接、基于设置使用。

短距离无线通信。无线通信用于传输生理数据和位置信息，数据量小，主要考虑功耗低，传输有效距离远，可以定位。设计拟采用低功耗蓝牙(BLE)技术。低功耗具有功耗极低、有效距离远、可室内定位、针对物联网优化等优点，广泛应用于智能家居、智能手环等产品中，非常适合本系统的设计需要。

智能网关设计包括网关功能与环境信息参数的监测，环境信息参数的监测主要以能直接影响生理状态的环境指标进行采集，拟对温度、湿度、PM2.5含量、甲醛浓度进行采集。智能网关主要是对生理监测设备的连接、管理，同时对监测数据进行加密转发。由于网关与公网连接，传输的数据是敏感的医疗信息，因此对数据安全性要求高。拟采用国产CPU芯片龙芯1C芯片作为主控制器，从源头保障信息安全。智能网关安装于固定位置进行工作，不需要移动使用，因此电源模块由外置5V1A的电源供电，由电源管理芯片对不同功能模块提供相应的工作电压。蓝牙模块负责与智能手环通信，选取与智能手环相同的低功耗蓝牙模块，通过串口与1C连接进行数据交换。网络通信模块负责与服务器之间的网络通信，由以太网芯片DM9161CEP芯片提供数据转换与传输，通过RJ45接口与网络相连。网关通过ISP接口与外置Flash存储芯片连接，用于保存近期内所采集到的数据。

温湿度检测使用数字温湿度传感器SHT11，其将传感元件与信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号，具有体积小、精度高、响应迅速、抗干扰能力强、硬件连接简单等优点。PM2.5检测使用粉尘传感器HPD05。智能网关的人机交互主要通过显示屏与按键完成。显示屏采用LCD实时显示时间、当前环境参数据，网络连接状态等基本信息，通过1C的LCD控制器进行控制。按键通过I/O口与1C进行连接，完成基本的信息输入，如显示亮度调节、显示界面切换等设置。

步骤S3中的哨位监测终端设计是这样的：哨位监测终端主要的任务是接收从系统前端网关所采集到的哨位个人生理数据以及哨位周围环境参数数据，并对所接收到数据进行储存、显示、分析，得出报告结果并交由医疗专家监控系统和环境分析专家系统将这些数据与设定的正常值进行比较，再对哨位的健康状况作出实时的评估，从而达到对哨位健康的监测。由此可见，终端信息处理监控系统是对各个前端数据的汇集处理，而哨位的个人数据属于我国军事等重要的领域的数据，所以保证数据的安全显得尤为重要，为了避免出现硬件后门和软件病毒等事件的发生而使服务器端的重要数据遭到攻击，此终端信息处理监控系统的服务器的选择必须从硬、软件两方面都尽可能做到自主可控。而在数据的接收、存储和处理上必须做到方便性、异构性、快速性、稳定性、长久性，这样才能保证所得到的数据的全面性、对长期所储存的数据进行对比分析，才能使得出的结果更加准确可靠，最终保证对武警哨位的健康状况做出精准的判断。因为哨位健康监测系统的终端服务器需要对数据进行实时的，快速的处理，这就要求此服务器具有高实时性、高可靠性、多任务性等特定。所以在设计终端信息处理监控系统的方案中选用了国产处理器芯片“龙芯3A2000作为服务器的处理器。

基于处理器选择的是国产龙芯3A2000，所以操作系统的设计必须与处理器相切合。出于对信息安全的考虑，此系统的软件部分的设计应体现出具有自主知识产权的特点，因此在操作系统的选择上，必须着眼于国内。终端信息处理监控系统的操作系统选用中标麒麟操纵系统。在整个的设计思路中，从信息处理监控系统的处理器的选择、到操作系统以及应用程序的选择都尽可能的做到硬件和软件的自主可控，保证了数据的安全性；应用层的应用程序也能实现对数据的多元化接收、有序存储和高效管理；另外，由于许多应用都是开源的，所以更能降低总体方案实施的成本。综上可知，以上信息处理监控系统实施方案是切实可行的。

监测终端的软件系统由消息中间件、Web服务器、数据库、缓存服务器、大数据分析系统组成，中间件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。

消息中间件采用RabbitMQ做为监测端的消息系统。基于AMQP协议的客户端与消息中间件可传递消息，并不受客户端/中间件不同产品，不同的开发语言等条件的限制。RabbitMQ使用Erlang编写，对路由、负载均衡、数据持久化都有很好的支持，适应于企业级的系统开发。生理状态监测服务器和环境状态服务器分别用于生理监测应用和环境监测应用的业务服务，负责业务逻辑，采用Express框架进行开发。数据库采用开源关系数据库MySQL。不同的Web服务器可以使用同一个数据库，只需要创建不同的数据表便可服务于多台不同的服务器，方便开发与管理。MySQL所使用的SQL语言是用于访问数据库的最常用标准化语言，其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，十分适合用于作为本系统的数据库。缓存服务器为是解决解决访问距离和提高服务器能力的有效方法，采用Redis作为缓存服务器进行数据缓存。缓存指的是将需要频繁访问的网络内容存放在离用户较近、访问速度更快的系统中，以提高访问速度的一种技术，缓存服务器就是存放频繁访问内容的服务器。

步骤S4：终端信息处理系统用于分析哨兵的生理指标和哨位环境信息，判别哨兵当前的生理状态，如果有哨兵生理状态出现异常情况，及时预警和提醒，以确保及时采取措施。系统将大数据与人工智能应用到时决策系统中，采用分布式数据库设计有效的存储方案，能有效地存储数据并应对数据的快速增长。基于大量的数据，参照相应的生理和环境的标准指标，建立一个基于时间相关性的生理状态预测模型，为可能出现的不良状况提供危险预警等决策信息。利用大数据分析引擎对历史数据进行实时处理分析，应用数据可视化技术发掘出历史数据的内在价值，为预防哨兵出现生理状况提供信息指导。

系统运行后，终端系统将为收集到大量数据，这些数据不仅仅包括结构化的数据（如数字、符号等），还包括非结构化数据（如文本、图像、视频等）。这使得大数据的存储，管理和处理很难利用传统的关系型数据库去完成。在大数据之中，有价值的信息往往深藏其中。这就需要对大数据的处理速度要非常快，才能短时间之内就能从大量的复杂数据之中获取到有价值的信息。在大数据的大量复杂的数据之中，通常不仅仅包含真实的数据，一些虚假的数据也混杂其中。这就需要在大数据的处理中将虚假的数据剔除，利用真实的数据来分析得出真实的结果。对大数据的分析，主要分为五个方面：可视化分析、数据挖掘算法、预测性分析能力、语义引擎和数据质量管理。

本发明提出的一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，可用于哨位环境信息数据的实时采集与监测分析。该系统主要由哨位监测前端、数据处理终端、数据安全传输三部分组成。哨位监测前端完成对哨兵生理参数和哨位环境参数的采集及初加工，再通过接入主干网络，将数据传输到监测终端服务器。哨位监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储，并接入到专家系统进行分析决策。利用大数据和人工智能对哨位的环境信息参数进行监测，实时监测哨位的健康监测。与目前使用的哨位健康监测系统相比，可显著保证从源头保证数据信息安全，提高效率和测量精度。

本发明有益效果是

1、本发明提出的一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，首次提出应用大数据和人工智能对哨位哨兵中多生理信号参数和环境参数进行集成融合，实时监测哨位哨兵的状态及哨位附近的环境的信息。

2、本发明提出的一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，首次提出将国产CPU芯片应用于哨位建设的数据安全保障，从源头保证数据信息安全。

3、本发明采用Hadoop技术作为基础软件架构和国产CPU芯片作为硬件核心，对哨位管理模式带来改进与创新。

附图说明

图1为基于国产CPU的哨位健康监控系统框架图。

图2为生理参数检测智能手环结构图。

图3为智能网关结构图。

图4为监测终端结构图。

图5为监测端软件系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

基于国产CPU的哨位健康监控系统框架如图1所示：系统主要由哨位监测前端、数据处理终端、数据安全传输三部分组成，系统结构如图1如示。哨位监测前端完成对哨兵生理参数和哨位环境参数的采集及初加工，再通过接入主干网络，将数据传输到监测终端服务器。监测终端的信息处理系统对前端的数据进行存储，并接入到专家系统进行分析决策。

生理参数检测智能手环结构图如图2所示，生理参数与环境参数的监测。对监测的生理指标的选择从医学需求和技术实现两方面考虑，既要满足医学上能够明显反应病人状态的生理参数，同时满足技术上可以实现的需求，生理采集所使用的传感器拥有精度准确、低功耗、体积小、容易集成的特点。综上所述，拟对心率、血氧饱和度、血压的参数进行采集，设计为智能手环的产品形态，其结构如图2所示。智能手环主控系统以嵌入式微处理器为主控芯片，具备极低的功耗控制及丰富的外设。电源模块采用锂电池为整个系统供电，设计续航时间至少一天，采用接触式充电方式。

智能网关结构图如图3所示，智能网关设计包括网关功能与环境信息参数的监测，其结构如图3所示。环境信息参数的监测主要以能直接影响生理状态的环境指标进行采集，拟对温度、湿度、PM2.5含量、甲醛浓度进行采集。智能网关主要是对生理监测设备的连接、管理，同时对监测数据进行加密转发。由于网关与公网连接，传输的数据是敏感的医疗信息，因此对数据安全性要求高。拟采用国产CPU芯片龙芯1C芯片作为主控制器，从源头保障信息安全。

监测终端结构图如图4所示，在整个的设计思路中，从信息处理监控系统的处理器的选择、到操作系统以及应用程序的选择都尽可能的做到硬件和软件的自主可控，保证了数据的安全性；应用层的应用程序也能实现对数据的多元化接收、有序存储和高效管理；另外，由于许多应用都是开源的，所以更能降低总体方案实施的成本。综上可知，以上信息处理监控系统实施方案是切实可行的。

监测端软件系统架构图如图5所示，监测终端的软件系统由消息中间件、Web服务器、数据库、缓存服务器、大数据分析系统组成。中间件在操作系统、网络和数据库之上，应用软件的下层，总的作用是为处于自己上层的应用软件提供运行与开发的环境，帮助用户灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件。中间件是一种独立的系统软件或服务程序，分布式应用软件借助这种软件在不同的技术之间共享资源，中间件位于客户机服务器的操作系统之上，管理计算资源和网络通信。消息中间件采用RabbitMQ做为监测端的消息系统。生理状态监测服务器和环境状态服务器分别用于生理监测应用和环境监测应用的业务服务，负责业务逻辑，采用Express框架进行开发。数据库采用开源关系数据库MySQL。缓存服务器为是解决解决访问距离和提高服务器能力的有效方法，采用Redis作为缓存服务器进行数据缓存。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的技术原理，应被理解的本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改都落入本发明保护范围。

Claims (3)

1.一种基于国产CPU的哨位健康监测系统，其特征在于，包含以下步骤：S1：系统方案；S2：哨位监测前端设计；S3：哨位监测终端设计；S4：应用大数据和人工智能方法分析生理信号参数和环境信息参数，给出科学决策。

2.根据权利要求1所述的哨位健康监测系统，其特征在于，本系统大数据分析采用Hadoop技术作为基础软件架构。

3.根据权利要求1所述的哨位健康监测系统，其特征在于，本系统大数据分析采用国产CPU芯片作为硬件核心。