基于无线传感网络的心理压力监测系统的设计与实现

肖倩 赵铁柱

(1. 东莞理工学院 计算机学院，广东东莞 523808;2. 东莞理工学院 工程技术研究院，广东东莞 523808)

当今社会飞速发展，人们的生活质量逐年提高。但同时，人们所感受到的来自方方面面的心理压力也在随之增长。社会各阶层越来越广泛的人群已明显的感觉或体会到了精神压力带来的沉重，而由其引发和导致的如精神萎靡、神情恍惚、抑郁、焦虑等一系列疾病目前也已呈现出逐年大幅上升的态势。精神压力迄今已经成为了现代社会的一大“隐形瘟疫”，对人们的身心健康构成了相当大的威胁，如不加以重视，其危害和遗患将十分严重。

压力很难被人们确察觉不到，当人们感觉到压力的存在时，压力已经对人们的身心造成了伤害，或者已经影响到人们的工作与学习。很多压力大的人群基本不到医院去寻求帮助，而是采取忽视的做法。一方面是由于工作繁忙，很少有时间去医院检查看病，而且他们并不认为自己有病，不健康，只是单纯地认为自己有一点压力，不影响身心健康。另一方面，医院对压力方面的诊疗收费也十分巨大，大大超出一般人的承受能力。人们对压力方面的监测、评估工作是微乎其微，如果能实时采集自身的某项体征信息并得到有效的压力监测结果和评估报告，那么，既减少了医务工作者的复杂检查工作，也帮助人们以实惠的价格，足不出户地掌握自己的健康状态，节省上医院挂号排队就医的时间，对医务工作者和居民都是双赢的举措。

随着生活水平的提高，人民对压力的关注度越来越高，开发和研制基于无线智能传感网络的实时医疗监护系统，具有巨大的市场潜力。该系统具有便捷、有效等特点。使用者只需在家对自身心身压力情况进行监测，并发送到数据中心，医生远程监护并发送监护报告或建议。及时让使用者了解自身的生命体征变化，更好地掌握自身身体压力及健康状况，在病症前期发现并及时治疗。

基于人们对压力监测的巨大需求，并考虑到无线传感网络具有能耗小、成本低、容易部署等一系列优点［1］，本文设计与实现了一个基于无线智能传感网络的心理压力监测系统。该系统通过采集各种与压力有关的生理信号，利用无线通信发送到手机/PAD 上。手机/PAD 实时显示压力监测的曲线和分析报告，并根据分析结果，做一些压力消除的训练。在终端服务器的Web 界面上也可实时显示使用者的压力监测、分析报告、相应的减压训练等信息，并提供打印功能和进行在线互动交流。该系统可以让更多承受压力的人方便的随时随地了解其精神压力的大小，可以随时自我解除精神压力，本系统也提供呼吸反馈训练帮助使用者缓解其精神压力。在精神压力过大的情况下，也会及时指引人们去医院寻求帮助，减少人们因精神压力而身患身体疾病的可能。

1 研究现状

目前，针对人体远程监测的系统比较多，它们采用的技术也各有差异。随着传感器网络研究的深入，人体传感网(Body Sensor Networks)［2］已经取得了不少研究成果。它是一项结合医学、生物工程、计算机技术和电子技术等多学科，利用可携带或者可植入式的传感器在人体范围内组成无线传感网络，以达到监测人体生理状态，获取重要的生理指标数据，实现对人体健康水平、运动状态、生理机能的实时监控［3－4］。

作为人体传感网中重要的一部分，心理压力系统的监测显得尤为重要。所以，关于心理压力系统的远程监控已经引起国内外学者的高度重视，他们先后研制成功了院内遥测压力监护系统，以及最新的基于嵌入式移动计算设备的远程移动监护系统等。初步满足了对压力大的使用者进行连续动态的远程心理压力监测的基本要求。但是，现有的远程压力监测系统或远程移动压力监测系统在实际临床推广中，尤其是对院外压力大的使用者的监护，仍然存在诸如使用者活动范围受限、不具备同时对多人进行监护的功能、不具备实时对病人地理定位功能等不足［5］。

目前，国外有两款比较普及的生理监测系统:1)DanTest QHRV Professional，由加拿大DanTest 公司研发，是全球领先的心率变异/ ANS / PWV 的产品开发. 该平台已经使DanTest QHRV 进入了AA 多种生理监测的应用程序和协议提供的软件技术的最前沿。2)自主神经平衡检测仪SA-3000P，由韩国Medicore 公司研发。SA-3000P 精神压力分析仪产品已获中国国内SFDA 认证;SA-3000P 获美国SFDA认证;IRIS-5000 获台湾SFDA 认证以及由台湾政府颁发的新型产品奖项。但这两款产品都没有远程监测的功能，不能进行远程干预和指导服务。

基于无线智能传感网络的手机实时医疗监护系统是一个综合性的系统，其发展壮大势必会影响和带动现有其它相关产业的发展并更新升级。美国占据无线传感网络的半壁江山，投入了大量的资金和研发实力，加上微软、IBM 等科技巨头的参与，无线智能传感网络被称为“下一波科技革命”［6］。业界对此很感兴趣，同时，由于我国人民生活水平的提高，对压力关注度的比例也会不断增长，开发和研制一种便捷、有效的监控系统，不仅具有巨大的市场潜力，更重要的是能承担起保障人民生命安全，提高全民族素质的历史使命。随着人体无线智能传感网络技术的进一步提高，未来的实时医疗监护系统将会越来越依靠该项技术。

综上所述，目前国内外的许多研究机构和生产厂商已经开发和研制出了一批形式种类各异的心理压力监测系统。这些系统虽达到了一定的监测效果，实时性还有待提高，关键技术还有待突破。为了满足健康管理和远程医疗的迫切需求，本文设计并实现的基于无线传感网络的心理压力监测系统将成为一个融入个人日常生活与工作的生理信息智能采集与监测系统。以人体无线传感网络为切入点和载体来研究实时心理压力监测系统的理论、方法和技术不仅存在巨大的技术创新空间，而且可获得与国外同步发展的机遇，具有广阔的市场应用前景。

2 系统架构与设计特点

2.1 系统架构

基于无线传感网络的心理压力监测系统是一个融成熟的无线信息采集技术、手持式通讯设备技术、计算机技术、数据库存储技术和无线智能传感网络等技术的综合性的系统。

基于无线传感网络的心理压力监测系统的基本流程是:使用压力监测仪采集脉搏数据，得到PPG信号，通过蓝牙通信实时上传至智能手机，在后台通过HRV(Heart Rate Variability)算法［7］模块，计算HRV 的时域、频域指标，并在手机端或PAD 显示HRV 的时域、频域指标以及相关参数的分析图，并由这些指标来自动推导出用户的压力等级和身体状况。手机/PAD 通过GPRS/CDMA/3G 实时将数据传送至控制中心的服务中心。服务器端和手机端/PAD 端都能自动分析采集的数据。用户及医生能在远程电脑上清晰地看见相关的分析图和结果。PPG 信息采集器采集各种与压力有关的生理信号，并通过无线通信发送到无线手持移动终端，无线手持移动终端上能实时显示压力监测的曲线和分析报告，并根据分析结果做一些压力消除的训练。在终端服务器的Web 界面上实时显示使用者的压力监测、分析报告、相应的减压训练等信息，并提供打印功能和进行在线互动交流。

该系统主要使用PPG 信号采集的前端，同时利用无线通讯模式，将收集到的数据传送回数据手机进行数据聚合，然后将有效的信息通过网络存储到中心服务器中，医生可以通过网络对数据进行远程管理、查询、分析等操作。心理压力监测系统架构示意图，如图1 所示。

图1 心理压力监测系统架构图

从图1 所示，基于无线传感网络的心理压力监测系统的总体框架由三部分组成:

· 采集器+健康手机:即PPG 采集器、智能手机和三维加速度传感器组成的无线人体传感网络。PPG 数据的采集、存储、分析和传输，并提供一个初步的诊断结果，让使用者及时发现到底是哪里的问题。

· 医生工作站:即在院医生远程监控使用者情况的工作站。显示使用者PPG 图、对PPG 数据进行分析，辅助医生做出分析结果和诊断。

· 数据中心(中心服务器):即存储使用者历史PPG 数据，接收新的使用者数据等功能。实现数据交换和对医生、用户的等信息的管理。

根据心理压力监测系统架构，可将本系统划分为以下3 大功能模块。

1)用户端传感信息采集功能模块。用户端传感功能模块具有以下功能:病人自感不适时可手动触发紧急事件按钮，请求医生进行远程诊断。通过采集器内置的蓝牙模块，把PPG 数据传送到智能手机/PDA。

2)医生工作站数据传输功能模块。医生工作站需要使用者PPG 数据、对PPG 数据进行分析等功能，同时也需要数据传输的功能。对医生工作站的具体要求如下:对接收的数据进行实时分析，检测PPG 数据异常，并把异常数据上传到远程服务器。保存PPG 数据，实现24 小时PPG 数据上传服务器。在屏幕上以动态图形方式描绘PPG 数据图趋势以及运动状态。响应采集器按紧急按钮产生的事件，立即上传信息到服务器。能通过GPRS/CDMA 等方式和远程服务器进行网络连接。实时下载远程服务器上最新诊断信息。查看历史事件和历史诊断信息。

3)中心数据服务器数据整合功能模块。中心数据服务器具有数据存储、管理及安全功能。中心服务器接收PPG 数据，并保存到数据库。对病人、医生、管理员的管理。指定和修改医生与病人的监护关系。显示相应的PPG 数据图与事件信息。实现自动分析PPG 数据，协助医生做出诊断。查看历史事件和历史诊断信息。诊断信息以短信或者下载形式发送到病人用户的手机中。

2.2 系统设计特点

基于无线传感器网络的心理压力监测系统在设计时，有如下特点:

1)独创的信号采集分析方式。以往采集方法主要是利用采集人体生理信号，提取HRV 信号，对HRV 信号进行时域，频率分析HRV 指标，进而获得人体压力。本系统独创了一种利用人体PPG 信号获得人体身体压力，心理压力，以及人体自主神经系统功能分析的方法。

2)海量人群健康信息的长期分析和预警。采用海量人群健康信息存储技术，通过丰富的体域网传感器，长期收集并监测目标人群的体征信息。同时，结合数据分析和挖掘技术，对用户的健康状态进行长期监测和预警，为相对应的决策系统提供有效的信息支持。

3)主动式健康管理。改变传统的被动的疾病治疗的模式，在未发病之前，就及时有效地对身体状况和健康危险因素进行全面监测、分析、评估、预测和预防，防止疾病的发生，防患于未然，最大限度减少由于得病带来的对身体的更大损伤和对社会财富的更大损失。

4)采用局部计算的模型进行初步诊断处理。现有的系统多将原始信号收集到中央服务器进行处理并得到结果。大量的数据传输需要耗费大量的网络资源和能量，而引入局部计算的模型，在保证计算精确度的情况下，可以大大减少传输的数据，节省资源，提高效率。

通过基于无线传感器的心理压力监测系统，使用者可以在任何有手机通讯信号的地方活动，而不需要被限制在医院内。当有紧急情况发生时，中心服务器系统会自动向医院、使用者亲属以及急救部门发出报警信号。

3 系统实现

基于无线传感网络的心理压力监测系统主要使用PPG 信号采集的前端，同时利用无线通讯模式，将收集到的数据传送回数据手机/PDA 进行数据聚合，然后将有效的信息通过网络存储到中心服务器中，医生可以通过网络对数据进行远程管理、查询、分析等操作。在分析测评方面搜集多种信息源，使用先进的压力监测仪、无线通信和Internet 技术，利用完善的、领先的、符合实际、多元的算法来得出系统的、准确的评估结果。

图2 是系统使用的PPG 压力传感器，其性能指标符合国际标准，并且经过多次测试，灵敏度和准确性符合使用要求。

图2 传感器通信处理节点

压力采集系统由手机/PDA 和压力采集器组成，压力采集器造型美观、体积小、重量轻、便于携带，佩戴简易。人机界面友好，操作流程简便。符合大多数用户的使用习惯以及行业规范。具备蓝牙2.0 以上的无线通讯接口。使用相同的通讯协议，不同模式之间，软件系统、采集器之间实现通用。连续运行超过168 小时，数据仍能准确测量和传输。

图3 是基于无线传感网络的心理压力监测系统用户端界面图。

如图3 所示，手机/PDA 可以接收无线压力数据并进行实时分析给出初步的检测压力结果，并把该结果上传到远程服务器。同时，手机内部保存较为大量的压力数据，能实现24 小时压力数据上传服务器。在屏幕上以动态图形方式描绘压力趋势图。响应采集器按紧急按钮产生的事件，立即上传信息到服务器。能通过GPRS/CDMA 等方式和远程服务器进行网络连接。实时下载远程服务器上最新诊断信息。查看历史事件和历史诊断信息。

图3 心理压力监测系统用户端界面

医生可以通过internet 登陆到中心服务器上获取使用者的压力数据。医生登陆以后可以看到所管理使用者的特殊状况提示。可以针对某个单独的使用者调用实时或者历史数据。基于无线传感网络的心理压力监测系统中心服务器界面，如图4 所示。

图4 心理压力监测系统中心服务器端界面

在中心服务器端，接收到的使用者心理压力数据都被保存到数据库中。数据库管理软件实现对使用者、医生、管理员的管理，并可以指定和修改医生与病人的监护关系。当需要时，显示相应的压力趋势图与事件信息，并实现自动分析压力数据，协助医生做出诊断。医生可以根据自己的经验以及病人的特点，对压力数据分析的主要参数进行灵活定制。同时，系统还提供辅助分析工具，帮助医生进行快速分析，并最终由医生对分析结果进行人工判断。

该系统的用户前端具有初步诊断功能，可以显著减少用户传输的数据量。在同等带宽和存储空间的情况下，系统支持的最大用户数就大幅增加。对于不同的系统使用者，定义了医生、患者、患者家属以及急救人员等多种角色，不同角色所能获取和处理的数据不尽同，从而保证用户的隐私安全。系统对于实时捕捉到的心电数据异常情况，可以进行及时有效的预警。

4 结语

精神压力已对人们的身心健康构成了巨大的威胁。而由于现实条件的限制，人们压力方面的监测、评估工作相对较少。针对人们对压力监测的巨大需求，并考虑到无线传感网络具有能耗小、成本低、容易部署等一系列优点，本文设计与实现了一个基于无线传感网络的心理压力监测系统。该系统能通过采集各种与压力有关的生理信号，利用无线通信发送到手机/PAD，显示压力监测的曲线和分析报告，促使人们做一些消除压力的训练。本系统具有独创的信号采集分析方式，海量人群健康信息的长期分析和预警，主动式健康管理和采用局部计算的模型进行初步诊断处理等特点。能够广泛地应用于人们的医疗卫生健康监控领域。广泛的应用于人们的医疗卫生和生活的各个领域。随着人民生活水平的日益提高，以及传感、通讯技术的进一步发展，心理压力监测系统将占领未来的大部分市场空间。在创造经济效益的同时，其创造的重大的社会效益也不容忽视。

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［3］任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003，14(7):1282－1291.

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［6］赵斌洁，陈光喜.一种基于移动无线传感器网络结构的数据采集协议［J］.桂林电子科技大学学报，2012，32(4):316－319.

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