CN109857043A - 一种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种监测环境与高龄者健康关联的物联网系统及监测方法，属于环境与健康监测、信息通讯和数据算法领域。这种监测环境与高龄者健康关联的物联网系统，包括环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台，环境与健康参数监测系统通过GPRS无线通讯模块和数据接收API接口与物联网数据关联平台进行数据传输。本发明的技术方案将环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台相结合，物理体积较小，可以通过穿戴的方式固定在人体外围。构建的物联网环境与健康关联数据平台可实现远程在线监测高龄者所处环境的温湿度及颗粒物浓度变化，以及远程在线监测高龄者的血压和心率，通过输入的环境数据可以实时预测健康风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统及监测方法，属于环境与健康监测、信息通讯和数据算法领域。
技术背景
随着现代社会经济的飞速发展，空调与供暖等环境调控设备营造了满足人体舒适的室内热环境，但也在空调/供暖房间和非空调/供暖房间之间产生了大温差，人员如果在这两种环境之间移动时，身体健康会由于大温差而造成相当大的损害，如很容易感冒、引起风寒等，尤其对于高龄者，很容易诱发心脑血管疾病，如脑卒中、心肌梗塞等严重的疾病。同时由于近年来雾霾问题日益突出，人们所活动的环境也受到颗粒物污染的危害。对于高龄者，颗粒物污染，特别是PM2.5污染，很容易增加高龄者心脑血管疾病的发病率，对高龄者健康有着很大的威胁。
随着我国人口老龄化问题的日趋严重，高龄者的健康生活环境应受到更多的关注。目前，在高龄者生活环境监测技术上，大多数是置于房间中的定点监测，当高龄者离开房间时，该环境监测点的数据很难反映高龄者当前所处的环境状态。另外，还有一部分穿戴式监测设备，可以实时监测人体周围的空气质量，但很少有将温湿度与颗粒物浓度监测相结合且从高龄者健康生活环境出发的产品。这类设备的通信方式主要为蓝牙和WiFi，对于大多数高龄者，特别是农村的高龄者来说，手机蓝牙连接穿戴式设备的操作特别复杂难以学习，以及家中网络设施的缺乏，该类穿戴式监测设备很难起到作用。
另一方面，由于高龄者体质的敏感性，在遭受周围空气环境变化时，身体的生理状况也会发生变化。当生理指标的变化超出高龄者免疫极限时，便会引发各种疾病，其中以心脑血管疾病为主要发病类型。而目前市场上的设备厂家专注于自身的产品，高龄者用户使用不同厂家生产的设备时，不同厂家的设备之间的数据往往不互通，这对整体评估和监测高龄者住户的环境与健康关联产生一定的障碍，同时各个厂商使用不同的数据平台，这对高龄者用户在使用上造成了相当大的难度。
专利号CN201510698675公开了一种基于物联网家居的健康管理系统，管理装置通过交互界面提供健康管理信息，并根据健康管理信息生成控制信号以及根据控制信号控制家用电器。但是该系统缺乏对人体移动时周围环境的监测，同时其根据健康管理信息生成控制信号的方法是根据用户的人为调整以达到调节效果，缺乏在不同环境下的自适应性。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统及监测方法，将环境与健康参数穿戴监测系统和物联网数据关联平台相结合，利用GPRS无线通讯技术实现环境和健康监测数据的实时上传，以及实时输出显示该环境导致的健康风险情况。
本发明采用的技术方案是：一种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，包括环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台，所述环境与健康参数监测系统包含供电系统、空气质量监测系统、生理参数监测系统、STM32单片机和GPRS无线通讯模块；物联网数据关联平台包含数据接收API接口、云服务器和数据可视化终端，环境与健康参数监测系统通过GPRS无线通讯模块和数据接收API接口与物联网数据关联平台进行数据传输。
所述供电系统包含电源模块、USB充电口和电路开关，空气质量监测系统由温湿度传感器模块和颗粒物传感器模块构成，生理参数监测系统由心率传感器模块和血压传感器模块构成，温湿度传感器模块通过IO口与STM32单片机实现单线双向数据通讯，颗粒物传感器模块、心率传感器模块和血压传感器模块分别与STM32单片机通过UART通讯进行数据传输，云服务器由关系型数据库和环境与健康关联算法模块构成。
所述监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统的监测方法，包括以下步骤：
1）电路开关闭合，连通电路，STM32单片机发送信号分别唤醒温湿度传感器模块、颗粒物传感器模块、血压传感器模块和心率传感器模块，监测的温度和湿度数据、PM10和PM2.5的数据、血压数据和心率的数据通过数据传输给STM32单片机；
2）STM32单片机将接收到的温度、湿度、PM10和PM2.5、血压和心率数据进行处理后，传输给GPRS无线通讯模块；
3）GPRS无线通讯模块接收到数据后，通过天线将数据发送至数据接收API接口上，数据接收API接口同时接收来自其它物联网平台的不同环境与健康监测设备的数据；
4）数据接收API接口将接收的所有数据传送至关系型数据库，关系型数据库将每一个住宅的所有数据作为一个数据集合进行存储；
5）关系型数据库中存储的所有数据通过环境与健康关联算法进行运算，得到适用于每个高龄者用户的环境与健康关联模型，对该模型输入实时环境参数，环境与健康关联模型实时输出显示该环境导致的健康风险情况，高龄者用户通过数据化可视终端浏览到所有与自己相关的数据和所处环境对自己导致的健康风险情况。
本发明的有益效果是：这种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，包括环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台，环境与健康参数监测系统包含供电子系统、空气质量监测子系统、生理参数监测子系统、STM32单片机和GPRS无线通讯模块；物联网数据关联平台包含数据接收API接口、云服务器和数据可视化终端，环境与健康参数监测系统通过GPRS无线通讯模块和数据接收API接口与物联网数据关联平台进行数据传输。本发明的技术方案将环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台相结合，可以实时监测不同地点的环境因素对高龄者健康的影响情况，同时该物联网数据关联平台还为其他物联网环境与健康监测设备提供统一通讯接口，通过绑定用户住宅地址、高龄者相关信息等数据，整合不同厂商不同设备所监测的环境与健康数据，高龄者用户可根据自身的情况和喜爱自主选择监测的数据类型，例如温度、相对湿度、二氧化碳浓度、甲醛浓度、PM2.5浓度、血压、心率、睡眠等数据参数。所有数据上传至云服务器的关系型数据库，为每一个高龄者用户提供符合其自生身体健康状况的环境与健康关联模型。物理体积较小，可以通过穿戴的方式固定在人体外围。构建的物联网环境与健康关联数据平台可实现远程在线监测高龄者所处环境的温湿度及颗粒物浓度变化，以及远程在线监测高龄者的血压和心率，通过输入的环境数据可以实时预测健康风险，高龄者用户不需要复杂操作，通过数据可视化客户端即可浏览到所有与自己相关的数据和所处环境对自己导致的健康风险情况。
附图说明
图1是室内环境与健康参数监测系统的结构图。
图2是室内环境与健康参数监测系统的电路图。
图3是物联网数据关联平台的结构图。
图4是室内环境与健康关联算法框图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地说明：
图1示出了室内环境与健康参数监测系统的结构图。这种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，包括环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台，所述环境与健康参数监测系统包含供电系统、空气质量监测系统、生理参数监测系统、STM32单片机和GPRS无线通讯模块；物联网数据关联平台包含数据接收API接口、云服务器和数据可视化终端，环境与健康参数监测系统通过GPRS无线通讯模块和数据接收API接口与物联网数据关联平台进行数据传输。
供电系统包含电源模块、USB充电口和电路开关，空气质量监测系统由温湿度传感器模块和颗粒物传感器模块构成，生理参数监测系统由心率传感器模块和血压传感器模块构成，温湿度传感器模块通过IO口与STM32单片机实现单线双向数据通讯，颗粒物传感器模块、心率传感器模块和血压传感器模块分别与STM32单片机通过UART通讯进行数据传输，云服务器由关系型数据库和环境与健康关联算法模块构成。
这种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统的监测方法，包括以下步骤：
1）电路开关闭合，连通电路，STM32单片机发送信号分别唤醒温湿度传感器模块、颗粒物传感器模块、血压传感器模块和心率传感器模块，监测的温度和湿度数据、PM10和PM2.5的数据、血压数据和心率的数据通过数据传输给STM32单片机；
2）STM32单片机将接收到的温度、湿度、PM10和PM2.5、血压和心率数据进行处理后，传输给GPRS无线通讯模块；
3）GPRS无线通讯模块接收到数据后，通过天线将数据发送至数据接收API接口上，数据接收API接口同时接收来自其它物联网平台的不同环境与健康监测设备的数据；
4）数据接收API接口将接收的所有数据传送至关系型数据库，关系型数据库将每一个住宅的所有数据作为一个数据集合进行存储；
5）关系型数据库中存储的所有数据通过环境与健康关联算法进行运算，得到适用于每个高龄者用户的环境与健康关联模型，对该模型输入实时环境参数，环境与健康关联模型实时输出显示该环境导致的健康风险情况，高龄者用户通过数据化可视终端浏览到所有与自己相关的数据和所处环境对自己导致的健康风险情况。
这种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统的具体工作过程为：电路开关闭合，连通电路。一方面，STM32单片机通过B3数据口（IO数据传输口）发送信号唤醒温湿度传感器模块，温湿度传感器开始工作，监测的温度和相对数据通过DATA数据口发送至STM32单片机的B3数据口，每次传输40 bit大小的数据，包括温度、相对湿度和校验值。同时，STM32单片机通过UART通信唤醒颗粒物传感器模块，颗粒物传感器开始工作，监测的PM10和PM2.5的数据通过UART通信传输给STM32单片机，即通过STM32单片机的A9数据口和A10数据库分别与颗粒物传感器的TXD数据口和RXD数据口进行数据通信，通过十六进制的数字信号传输PM10和PM2.5的浓度值，每次传输的数据大小为80 bit。另一方面，STM32单片机通过UART通信唤醒血压传感器模块和心率传感器模块，血压传感器模块和心率传感器模块开始工作，监测的血压和心率数据通过UART通信传输给STM32单片机，即通过STM32单片机的B4数据口和B5数据口分别与血压传感器的TXD数据口和RXD数据口进行数据通信，STM32单片机的B6数据口和B7数据口分别与心率传感器的TXD数据口和RXD数据口进行数据通信，血压（包含舒张压和收缩压）和心率的数据均通过十六进制的数字信号传输，血压每次传输的数据大小为80 bit，心率每次传输的数据大小为40 bit（如图2所示）。
STM32单片机接收到温湿度、颗粒物、血压和心率的数据后，进行处理，将十六进制的数字信号转换成十进制的字符串形式，通过UART通信传输给GPRS无线通讯模块，即A2数据口和A3数据口分别与G510 GPRS无线通讯模块的TX数据口和RX数据口进行通信。GPRS无线通讯模块接收到数据后，通过天线发送至数据接收API接口上，数据接收API接口将数据上传至物联网数据关联平台。同时，物联网数据关联平台通过数据接收API接口连接其它的第三方物联网平台，数据接收API接口同时收集来自其它物联网平台的多种环境与健康监测设备的数据。数据接收API接口将所有接收的数据传送到关系型数据库，关系型数据库以每一个住宅的数据做作为一个数据集合进行存储。环境与健康关联算法模块将关系型数据库中的数据集合通过深度学习网络进行训练，得到适用于每个住户的环境与健康关联模型，当对该模型输入实时环境参数时，可以实时输出显示该环境导致的健康风险情况。高龄者用户均可通过数据可视化终端，例如PC端和移动客户端浏览到所有与自己相关的数据和所处环境对自己导致的健康风险情况（如图3所示）。
室内环境与健康关联算法模块主要通过构建深度学习网络，以高龄者用户生活过程中提供的日常环境与健康数据，训练出只适用于该高龄者用户所居住的住宅及其健康参数预测的个性化深度学习网络模型。在一定时间尺度内，选用环境参数作为输入参数x，以健康数据作为输出参数y，通过深度学习网络模型计算后得到预测值y’ = wx + b，根据y’和y构造损失函数和代价函数，通过梯度下降法更新权重参数w和b，最终训练出个性化的环境与健康关联模型，同时将每天的数据重新作为训练数据，不断完善个性化深度学习网络模型。该模型以与高龄者相关的环境数据作为输入，输出健康数据风险作为该环境的健康预测结果，并通过物联网数据关联平台的数字可视化终端实时显示该环境导致的健康风险情况（如图4所示）。
综上，这种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，物理体积较小，可以完全通过穿戴的方式固定在人体外围，如佩戴在胸口前或者绑在手臂上。构建的物联网环境与健康关联数据平台可实现远程在线监测高龄者所处环境的温湿度及颗粒物浓度变化，以及远程在线监测高龄者的血压和心率，以及环境与健康的关联模型，通过环境数据可以实时预测健康风险。适用于医护人员、家庭成员以及高龄者自己等，满足高龄者健康生活的需求。当某一区域的用户数量增加到一定程度，也可为这一区域的基础科研和政府有关部门提供数据上的决策依据。
Claims (3)
1.一种监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，其特征在于：包括环境与健康参数监测系统和物联网数据关联平台，所述环境与健康参数监测系统包含供电系统、空气质量监测系统、生理参数监测系统、STM32单片机和GPRS无线通讯模块；物联网数据关联平台包含数据接收API接口、云服务器和数据可视化终端，环境与健康参数监测系统通过GPRS无线通讯模块和数据接收API接口与物联网数据关联平台进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统，其特征在于：所述供电系统包含电源模块、USB充电口和电路开关，空气质量监测系统由温湿度传感器模块和颗粒物传感器模块构成，生理参数监测系统由心率传感器模块和血压传感器模块构成，温湿度传感器模块通过IO口与STM32单片机实现单线双向数据通讯，颗粒物传感器模块、心率传感器模块和血压传感器模块分别与STM32单片机通过UART通讯进行数据传输，云服务器由关系型数据库和环境与健康关联算法模块构成。
3.根据权利要求1所述的监测室内环境与高龄者健康关联的物联网系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）电路开关闭合，连通电路，STM32单片机发送信号分别唤醒温湿度传感器模块、颗粒物传感器模块、血压传感器模块和心率传感器模块，监测的温度和湿度数据、PM10和PM2.5的数据、血压数据和心率的数据通过数据传输给STM32单片机；
2）STM32单片机将接收到的温度、湿度、PM10和PM2.5、血压和心率数据进行处理后，传输给GPRS无线通讯模块；
3）GPRS无线通讯模块接收到数据后，通过天线将数据发送至数据接收API接口上，数据接收API接口同时接收来自其它物联网平台的不同环境与健康监测设备的数据；
4）数据接收API接口将接收的所有数据传送至关系型数据库，关系型数据库将每一个住宅的所有数据作为一个数据集合进行存储；
5）关系型数据库中存储的所有数据通过环境与健康关联算法进行运算，得到适用于每个高龄者用户的环境与健康关联模型，对该模型输入实时环境参数，环境与健康关联模型实时输出显示该环境导致的健康风险情况，高龄者用户通过数据化可视终端浏览到所有与自己相关的数据和所处环境对自己导致的健康风险情况。
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