陳坤銘++亓相濤

摘 要：智能穿戴設(shè)備針對老人、兒童和殘疾人的身體生理指標(biāo)和運動軌跡進(jìn)行監(jiān)測。老人、兒童和殘疾人的自理能力差，多數(shù)時間身邊無人照看，突發(fā)狀況無法預(yù)料，智能穿戴設(shè)備的監(jiān)測功能可以彌補無人照看這段時間的空缺，若突發(fā)疾病，則設(shè)備自動發(fā)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(shè)備可迅速報警，記錄身體的生理數(shù)據(jù)、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(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問題。

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

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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)，使人與機器交流更自然和本源。智能穿戴設(shè)備將人體生理、運動規(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、運動方式、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，能監(jiān)測人體生理、運動規(guī)律等數(shù)據(jù)，內(nèi)容更加豐富，彌補了智能手機在人體生理指標(biāo)、運動規(guī)律監(jiān)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(jiān)護人為他們提供幫助，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(jù)不完全統(tǒng)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(yuǎn)都無法彌補的傷痛。中國正快速進(jìn)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(shù)據(jù)每年都在穩(wěn)步上升，到2050年，中國60歲以上的老人將達(dá)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(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(shù)背景

2009年，IMB提出“智慧地球”的戰(zhàn)略，后被美國提升為國家戰(zhàn)略，同年，溫家寶總理進(jìn)行了“感知中國”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)。運用物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)概念，建立一套監(jiān)測老人、兒童和殘疾人身體狀態(tài)的機制。后臺數(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(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，有配對驗證的過程，智能穿戴設(shè)備的數(shù)據(jù)與其他帶有藍(lán)牙的移動端建立通訊前，需要手動驗證，監(jiān)護人根據(jù)需要綁定一個或多個移動端。

監(jiān)護人與穿戴者距離較近時，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)護人的移動端。

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)能將多個智能穿戴設(shè)備組合，只需其中一個智能穿戴設(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，在遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時，極大地保證了智能穿戴設(shè)備功耗低、成本低和結(jié)構(gòu)精簡等優(yōu)勢。

ZigBee技術(shù)的高安全性能有效確保數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對稱密碼能很好地保護數(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移動通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種移動分組數(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)擴充，由新增的網(wǎng)絡(luò)實體對GMS數(shù)據(jù)進(jìn)行旁路擴展，支持移動用戶利用分組數(shù)據(jù)移動終端接入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)和運動狀態(tài)時的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸問題。

2.4 云計算技術(shù)

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

云計算在智能穿戴設(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，從而實現(xiàn)迅速反應(yīng)的機制。智能穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)到云計算決策流程如圖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，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件可裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(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、移動速度等，各種傳感器得到的電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，將模擬信號轉(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)器或手機等移動端。

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)計電路板時要考慮的。

使用對象的社會階層復(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，覆蓋多數(shù)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(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

利用云計算技術(shù)將穿戴者的心率、血壓、體溫、移動速度等數(shù)據(jù)綜合在一起，分析穿戴者的生理狀態(tài)和運動狀態(tài)。智能穿戴設(shè)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(tài)、危險生理狀態(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)與各項生理指標(biāo)是充分必要條件的關(guān)系，任何一項生理指標(biāo)超出或低于正常指標(biāo)范圍時，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(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫運用一定的算法設(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)測身體狀態(tài)。

3.2 危險生理狀態(tài)

在后臺數(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，在一段時間內(nèi)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)中心，運用云計算快速處理分析數(shù)據(jù)。穿戴者處于危險生理狀態(tài)時，能及時反饋并發(fā)出警告，降低服務(wù)器崩潰風(fēng)險，避免數(shù)據(jù)中心的反饋延遲。后臺數(shù)據(jù)中心后期能生成報告，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)備的后臺數(shù)據(jù)與救護中心共享，在穿戴者處于危險生理狀態(tài)時，救護中心及時準(zhǔn)備好救護藥品和救護設(shè)備，派出救護人員在最短的時間內(nèi)挽救穿戴者的生命。老人、兒童和殘疾人處于危險生理狀態(tài)時智能穿戴設(shè)備的自動呼救流程如圖2所示。

3.3 可見狀態(tài)

可見狀態(tài)主要基于后臺數(shù)據(jù)中心記錄GPS模塊采集的數(shù)據(jù)?？梢姞顟B(tài)容易判斷，穿戴者的移動軌跡和移動速度與平時的數(shù)據(jù)相差無幾，也沒有超出預(yù)先設(shè)定好的活動范圍，則說明穿戴者處于可見狀態(tài)，監(jiān)護人能及時聯(lián)系到穿戴者。

若穿戴者超出預(yù)先設(shè)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(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，則監(jiān)護人需要確認(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動數(shù)據(jù)，在后臺數(shù)據(jù)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(shè)備、后臺數(shù)據(jù)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(wù)，自動報警。

市場上少數(shù)智能穿戴設(shè)備能設(shè)定穿戴者的活動范圍，穿戴者若超出設(shè)定的活動范圍，數(shù)據(jù)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(jiān)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(shè)定的活動范圍，監(jiān)護人也可自行設(shè)置為丟失狀態(tài)。設(shè)定丟失狀態(tài)的意義在于能及時發(fā)現(xiàn)穿戴者的去向并自動報警，配合警方在最短時間內(nèi)找到穿戴者。

智能穿戴設(shè)備的后臺數(shù)據(jù)與警方共享，在穿戴者處于失蹤狀態(tài)時，警方迅速出警，根據(jù)穿戴者的移動軌跡和移動速度來調(diào)度人員，設(shè)置關(guān)卡。弱勢人群處于丟失狀態(tài)時智能穿戴設(shè)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(tài)智能穿戴設(shè)備自動報警流程

在二十多年前，美國已經(jīng)提出了針對兒童失蹤這一社會問題的解決方案——Amber系統(tǒng)。Amber系統(tǒng)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(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[5]。

借鑒美國已有實例，國內(nèi)的智能穿戴設(shè)備主要針對自理能力差的人群被拐賣綁架的現(xiàn)象，國內(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

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

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)典對稱加密算法DSE和非對稱加密算法RSA等對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

4.2 后臺數(shù)據(jù)中心防護

4.2.1 數(shù)據(jù)加密

在云計算平臺下加密數(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，可隨時調(diào)取數(shù)據(jù)。

4.3 密文檢索

用戶首先使用搜索加密機制對數(shù)據(jù)加密，然后將密文存儲在云服務(wù)器中，當(dāng)用戶需要搜索某個關(guān)鍵字時，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，用戶再對返回的密文進(jìn)行解密[6] 。

5 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新行業(yè)的發(fā)展，智能穿戴設(shè)備的發(fā)展趨勢為更智能、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(xiàn)

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