基于ZigBee的個(gè)人健康信息管理與隱私保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸 鵬，葛嵩韜，吳 響, 張 昊

(1.徐州市傳染病醫(yī)院，江蘇 徐州 221004; 2.徐州醫(yī)科大學(xué) 醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院， 江蘇 徐州 221000;3.徐州市口腔醫(yī)院 信息科，江蘇 徐州 221002)

0 引言

目前，公民的健康管理意識(shí)在不斷增強(qiáng)，對(duì)疾病預(yù)防和健康管理的需求持續(xù)上升[1]。針對(duì)這一情況，國內(nèi)多所體檢中心和健康網(wǎng)站，紛紛推出了健康風(fēng)險(xiǎn)管理服務(wù)。然而，多數(shù)體檢機(jī)構(gòu)的主要功能依然停留在健康檢查與體檢數(shù)據(jù)采集上，無法為人們提供有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和長(zhǎng)期有效的健康規(guī)劃，也無法針對(duì)用戶進(jìn)一步提高個(gè)體健康管理水平[2]。為解決個(gè)人日常健康管理問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人健康數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測(cè)和管理，現(xiàn)已有多家公司提供了解決方案：如飛利浦公司針對(duì)心血管慢病管理推出的“院后管理系統(tǒng)”[3]，該系統(tǒng)通過便攜式移動(dòng)健康和醫(yī)療設(shè)備監(jiān)控病人在家里的血壓、心律等生理體征，實(shí)現(xiàn)家庭與醫(yī)院的互聯(lián)，幫助用戶主動(dòng)監(jiān)控自己的健康狀況；健康小屋、歐樂康等平臺(tái)也相繼推出了關(guān)于健康管理服務(wù)的解決方案[4]，但此類方案在支持健康管理功能時(shí)忽略了對(duì)用戶個(gè)人數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)，在提供健康服務(wù)的同時(shí)未能保障個(gè)體健康數(shù)據(jù)的安全。

考慮用戶對(duì)健康管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、可用性及安全性需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的個(gè)人日常健康信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過智能可穿戴設(shè)備采集人體健康數(shù)據(jù)，并及時(shí)上傳云平臺(tái)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)人日常健康數(shù)據(jù)的全程跟蹤處理和安全分析計(jì)算，為疾病預(yù)防和個(gè)人數(shù)據(jù)隱私保護(hù)提供解決思路。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

個(gè)人健康信息的監(jiān)測(cè)、獲取、分析及處理是衡量個(gè)人健康狀態(tài)最直接的方法，也是有效預(yù)防疾病的重要措施。該系統(tǒng)針對(duì)個(gè)人健康信息處理的全過程設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸和健康管理平臺(tái)3個(gè)部分。首先，利用數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備采集人體體征數(shù)據(jù)；其次通過數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)上傳平臺(tái)；最后在健康管理平臺(tái)中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果及時(shí)反饋給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，有效預(yù)防疾病發(fā)生。

1.2 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是采用DSSS技術(shù)，適用于短距離內(nèi)各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)[5]。與WiFi技術(shù)相比，ZigBee的傳輸損耗低，電池續(xù)航時(shí)間久，且ZigBee協(xié)議無需專利費(fèi)，大大降低了研發(fā)所需成本。ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用載波偵聽/沖突檢測(cè)方式進(jìn)行信道接入，具有很強(qiáng)的兼容性。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳遞，ZigBee提供安全握手協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能[6]。綜上所述，與WiFi技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)具有成本低、功耗低、時(shí)延短、兼容性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸可靠等特點(diǎn)，更適用于本文所設(shè)計(jì)的個(gè)人日常健康信息管理系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)分析

為滿足基于ZigBee的個(gè)人健康信息管理隱私保護(hù)系統(tǒng)的軟硬件測(cè)試需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)目標(biāo)：

1)實(shí)時(shí)性：疾病具有潛伏性，不易被發(fā)現(xiàn)，因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，采用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將采集到的體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，形成數(shù)據(jù)報(bào)告，平臺(tái)對(duì)報(bào)告進(jìn)行匯總分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病潛伏期的有效預(yù)測(cè)。

2)實(shí)用性：考慮到個(gè)體健康數(shù)據(jù)采集的難 度，該系統(tǒng)選擇便于攜帶的智能終端設(shè)備采集個(gè)體日常健康數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后使用ZigBee無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無需有線連接，能夠在不妨礙個(gè)人日常生活的前提下實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、方便、快捷地完成數(shù)據(jù)采集與上傳工作，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3)安全性：為保障數(shù)據(jù)上傳及存儲(chǔ)的安全性，采用具有較強(qiáng)安全性的ZigBee通信協(xié)議，在數(shù)據(jù)處理過程中使用RSA算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)體健康數(shù)據(jù)的全路徑覆蓋加密。

1.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能分析

為充分利用有限資源，提供更全面有效地健康管理服務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)實(shí)時(shí)采集、跟蹤用戶個(gè)體健康數(shù)據(jù)信息；

2)能夠以家庭為單位對(duì)家庭成員的健康情況進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)、分析、評(píng)估和管理，有效提高家庭健康質(zhì)量，降低患病風(fēng)險(xiǎn)。

3)以個(gè)人或家庭為單位定期自動(dòng)生成體檢報(bào)告，并根據(jù)體檢結(jié)果進(jìn)行在線問診，提供個(gè)性化健康指導(dǎo)。

1.5 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

如圖1所示，系統(tǒng)按照模塊化、層次化的設(shè)計(jì)原則，使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee的個(gè)人日常健康信息管理與隱私保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集終端模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊以及數(shù)據(jù)處理分析模塊，各模塊簡(jiǎn)介如下：

1)數(shù)據(jù)采集終端模塊：數(shù)據(jù)采集終端模塊通過智能穿戴設(shè)備借助多種傳感器采集人體各項(xiàng)重要指標(biāo)，主要包括心率、體溫、血壓、心電圖等，同時(shí)設(shè)備有OLED顯示屏及GPS定位功能。

2)數(shù)據(jù)傳輸模塊：數(shù)據(jù)傳輸模塊采用ZigBee無線網(wǎng)上協(xié)議，建立多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及接口方式，使用CC2530芯片為網(wǎng)絡(luò)處理器，短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)上傳。

3)數(shù)據(jù)處理分析模塊：數(shù)據(jù)處理分析在健康管理平臺(tái)中進(jìn)行，該平臺(tái)使用分布式異構(gòu)存儲(chǔ)技術(shù)管理健康數(shù)據(jù)，使用RSA加密算法保護(hù)健康數(shù)據(jù)中的敏感信息，并通過解密算法幫助用戶了解自身健康狀況。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的個(gè)人健康信息管理及隱私保護(hù)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理分析模塊組成。數(shù)據(jù)采集終端模塊主要負(fù)責(zé)控制終端與設(shè)備中的各類傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸模塊通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)處理器將數(shù)據(jù)傳入健康信息隱私保護(hù)平臺(tái)；數(shù)據(jù)處理分析模塊負(fù)責(zé)處理健康信息，并反饋分析結(jié)果。系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體硬件架構(gòu)圖

2.1 數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端模塊包括心率傳感器、體溫傳感器、血壓傳感器、心電傳感器、肌電傳感器等，傳感器型號(hào)、工作電壓及優(yōu)點(diǎn)如表1所示。

表1 傳感器信息表

下面將對(duì)本設(shè)備中所使用的各類傳感器進(jìn)行具體介紹。

常用的心率傳感器品牌主要有AMS、天易合芯、ADI、Waveshare以及XYD，本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備使用Waveshare中的MAX30100，MAX30100是一種非侵入式集成的脈搏血氧飽和度和心臟速率監(jiān)視傳感器。它結(jié)合了兩個(gè)發(fā)光二極管、一個(gè)光檢測(cè)器，用以檢測(cè)脈搏血氧飽和度及心臟速率信號(hào)，其工作電壓為3～5 V，且MAX30100具有實(shí)時(shí)而快速的心率測(cè)量方式，被廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)設(shè)備中。

體溫傳感器型號(hào)為AD8494CRMZ，該傳感器可測(cè)量溫度范圍在0～50 ℃，相對(duì)于其他體溫傳感器，該傳感器具有精密完整、引腳排列靈活的優(yōu)點(diǎn)、同時(shí)可承受4 kV ESD，并提供高達(dá)VS±25 V的過壓保護(hù)(OVP)，確保芯片使用的安全性。

心電傳感器的型號(hào)為HK_2011/4，是一款四通道傳感器，該傳感器可同時(shí)采集撓動(dòng)脈、頸動(dòng)脈、心音與心電4個(gè)生理信號(hào)，傳感器本身具有體積小，使用方便的優(yōu)點(diǎn)，采樣頻率為200 Hz、頻率響應(yīng)為1～1 500 Hz、功耗為50 mA。

肌電傳感器的型號(hào)為EMG sensor，該傳感器工作電壓為3～9 V，其優(yōu)勢(shì)在于性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，能夠保證采集的肌電信號(hào)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠。

血壓傳感器型號(hào)為HGP0700，工作電壓為3～3.5 V，該類傳感器具有多種端口類型，同時(shí)該產(chǎn)品體積小、精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性高，保證了設(shè)備采集數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要為自動(dòng)化控制傳輸數(shù)據(jù)而建立，例如智能健康終端中的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料; 每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以支持多達(dá)31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備中擁有8種不同的接口方式。

數(shù)據(jù)加密傳輸模塊采用TI公司開發(fā)的CC2530芯片作為網(wǎng)絡(luò)處理器，該芯片能夠以非常低的功耗及較低的成本建立強(qiáng)大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[8]。CC2530是基于2.4 GHz IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE的無線傳輸解決方案，結(jié)合了RF收發(fā)器，增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程內(nèi)存8 kB RAM，具有多種運(yùn)行模式，能夠滿足超低功耗的具體要求，同時(shí)CC2530運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，進(jìn)一步降低能源消耗[9]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ZigBee的個(gè)人健康信息管理隱私保護(hù)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集完成后上傳至健康管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，下面將詳細(xì)介紹健康管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)內(nèi)容：

3.1 健康管理平臺(tái)設(shè)計(jì)原理

健康管理平臺(tái)是基于.NET平臺(tái)，使用分布式異構(gòu)存儲(chǔ)技術(shù)，采用新型水平層疊模式，對(duì)上傳至平臺(tái)中的健康數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)存儲(chǔ)、集中管理，提供持續(xù)性及個(gè)性化健康服務(wù)的管理平臺(tái)。

分布式存儲(chǔ)技術(shù)支持多副本備份機(jī)制，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重建恢復(fù)，規(guī)避數(shù)據(jù)丟失的可能性，在完善數(shù)據(jù)庫性能的同時(shí)提高數(shù)據(jù)的安全性和可靠性；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的隔離和保護(hù)，避免用戶數(shù)據(jù)被爬取或篡改，本文使用非對(duì)稱加密算法RSA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，進(jìn)一步提高用戶健康數(shù)據(jù)的隱私安全。

3.2 健康管理平臺(tái)安全設(shè)計(jì)

由于個(gè)人體征數(shù)據(jù)上傳到健康管理平臺(tái)后可能面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊、密碼丟失等隱私泄露風(fēng)險(xiǎn)，因此該平臺(tái)選擇安全性較好的RSA算法[7]對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，具體步驟如下：

1)健康管理平臺(tái)隨機(jī)生成兩個(gè)足夠大素?cái)?shù)p、q并計(jì)算乘積n=pq,φ(n)=(p-1)(q-1)；

2)接著生成一個(gè)滿足gcd(e,φ(n))=1的大整數(shù)e，用做加密密鑰；

3)在確定解密密鑰d滿足(de)modφ(n)=1,即de=kφ(n)+1,k≥1后，將d秘密保存；

4)將個(gè)人健康數(shù)據(jù)m通過加密算法c=E(m)=memodn加密成密文c，發(fā)送給健康管理平臺(tái)；

5)在用戶登陸平臺(tái)查看健康數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過解密算法m=D(c)=cdmodn，將健康數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。

整個(gè)過程在不傳遞密鑰的情況下，完成個(gè)體健康數(shù)據(jù)加密解密，極大地提高了用戶隱私的安全性。

圖4 健康管理平臺(tái)安全結(jié)構(gòu)圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為測(cè)試基于ZigBee的個(gè)人日常健康信息管理與隱私保護(hù)系統(tǒng)的安全性和有效性，本文從驗(yàn)證系統(tǒng)可靠性和可用性的角度，進(jìn)行了黑盒測(cè)試，接下來，本節(jié)將具體介紹測(cè)試流程及方法。

4.1 黑盒測(cè)試

受測(cè)試水平、時(shí)間、經(jīng)驗(yàn)等條件限制，該系統(tǒng)在測(cè)試過程中只采用黑盒測(cè)試方法進(jìn)行功能測(cè)試。為確認(rèn)系統(tǒng)能正常完成數(shù)據(jù)的處理和分析工作，以及無數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和外部數(shù)據(jù)庫訪問錯(cuò)誤，在測(cè)試前，本文選定了測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)試結(jié)果

4.2 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

本節(jié)具體測(cè)試內(nèi)容為系統(tǒng)操作能否正常運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)讀取代碼是否穩(wěn)定，得到的結(jié)果與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)是否在正常誤差范圍內(nèi)。各模塊的系統(tǒng)測(cè)試用例如表3所示。

由表3可知，通過實(shí)驗(yàn)，平臺(tái)注冊(cè)模塊各功能均可實(shí)現(xiàn)。

表3 系統(tǒng)注冊(cè)模塊測(cè)試用例

由表4可知，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明平臺(tái)登錄模塊各類登陸失敗情況均有相應(yīng)反饋信息，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表4 系統(tǒng)登錄模塊測(cè)試用例表

由表5可知，家庭健康模塊中根據(jù)輸入起始和結(jié)束時(shí)間的不同，均可查到規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)的健康信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表5 家庭健康模塊測(cè)試用例表

由表6可知，用戶通過相應(yīng)操作，平臺(tái)均有相應(yīng)的健康信息或查詢失敗信息反饋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表6 專家系統(tǒng)模塊測(cè)試用例表

由表7可知，用戶通過選擇相應(yīng)的查詢時(shí)間可以查詢到相應(yīng)的信息記錄，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表7 體檢中心測(cè)試用例表

根據(jù)表3～7可以看出，本文所設(shè)計(jì)的健康管理平臺(tái)各模塊測(cè)試運(yùn)行結(jié)果穩(wěn)定，按照操作步驟，可以成功登陸平臺(tái)，實(shí)時(shí)查看個(gè)人與家人的健康數(shù)據(jù)以及體檢分析情況，該系統(tǒng)能夠有效提供健康管理服務(wù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的基于ZigBee的個(gè)人健康信息管理與隱私保護(hù)系統(tǒng)是以個(gè)體健康數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過量化評(píng)估人們的健康狀況與疾病風(fēng)險(xiǎn)，幫助人們綜合認(rèn)識(shí)自身健康狀況，同時(shí)為用戶提供定制個(gè)性化健康管理措施，糾正不良生活習(xí)慣、開展健康教育、樹立正確的健康理念。該系統(tǒng)在提高健康管理服務(wù)水平的同時(shí)，為保障用戶的數(shù)據(jù)安全性，在數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)處理階段，選擇具有高安全性的ZigBee無線傳輸技術(shù)和RSA加密算法，對(duì)用戶的隱私數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。此外，在后期研究中，研究重點(diǎn)為將本系統(tǒng)與醫(yī)院信息系統(tǒng)連接，將先進(jìn)的信息服務(wù)技術(shù)引入健康管理領(lǐng)域，打通供需雙方的溝通渠道，使用戶有便捷的通道獲得診前、診后的連續(xù)信息，便于醫(yī)療健康機(jī)構(gòu)、醫(yī)務(wù)人員和用戶之間進(jìn)行更加理性的多項(xiàng)互選，并發(fā)展長(zhǎng)期的健康管理與健康干預(yù)活動(dòng)。