人体健康监测系统中感知数据获取关键技术的研究

Since ancient times, people are always fighting with diseases, pursuing health and eagerly hope to improve life quality and prolong life. However, diseases occur along the whole process of the development of human civilization. With the development of world civilization, people need to know their own and others' physical condition in a timely manner, in order to obtain timely and effective help. Human health monitoring system is a research area to meet such requirements. Health monitoring system need to collection data from the human body, transmit and store data to the data center for analysis and processing. In the data collection process, there are two issues: one is how to reduce the distortion of all important data; The other is to detect whether all Collected data is correct. When transmit collected data to the data center, energy consumption will result in heat diffusion, a slightly increasing of temperature may cause harm to the human organism. When data is sent to the data center, it will cause huge transmission load and consume a lot of energy, and also requires huge amounts of storage. This project will study the problems encountered in these three aspects so as to build a foundation of health monitoring system.

从古到今，人们都在为战胜疾病、追求健康、延长寿命、提高生活品质而努力。然而，疾病总是伴随在人类文明发展的整个过程。随着世界文明的发展，人们需要及时了解自己和他人的身体状况，以便获得及时有效的求助，基于人体感知网络的人体健康监测系统正是一个可行的发展方向。人体健康监测系统需最先解决的问题是如何监测人体生理参数的变化以及如何进行有效存储与快速查询。人体健康监测系统采集的数据，主要存在数据是否失真以及采到的数据是否正确，需要有效的方法提高数据的质量。感知数据传输过程中，无线通信及能量采集产生的电场和磁场会导致人体组织温度升高，若长时间温度较高会对人体组织造成伤害，因此需要设计无伤害的协议和能耗策略。此外，不断产生的监测数据会造成巨大的数据传输负载，也会消耗海量的存储空间，因此需要有效的方法减少数据规模。本文将从人体健康监测系统中这三个方面的问题进行深入研究，为具体的应用奠定理论基础。

物理世界感知数据采集是一个极其重要的问题，基于能量采集的方式可以为感知设备提供能量，从而避免重复更换电池的不便或人体植入方式限制导致的困难。采集到的数据通过无线通信的方式进行转发，需要消耗大量的能量开销，而且长时间无线通信可能对产生环境产生影响。不间断产生大量的监测数据发送到数据中心，会消耗海量网络中的带宽资源、数据中心的计算资源和存储空间。因此，本项目以低能量开销、高数据质量为目标，提出了基于能量采集的感知数据采集方案；以安全性为目标，提出了温度敏感的能量采集和数据传输的理论和方法；以低通信开销、低计算开销为目标，提出了基于边缘计算方式感知数据收集与处理的理论和方法；并以低资源开销为目标，提出数据中心资源受限的数据处理方法；开发一个人体健康监测的原型系统。针对能量采集环境的数据传输问题，考虑了能量采集的非线性的特点，研究了在能量充足和受限的情况下数据传输问题，提出了基于多种优化策略相结合的数据传输调度算法，能够从理论上给出数据传输量的性能保证。针对安全数据传输问题，考虑了无线传输对环境温度的影响，研究了温度敏感的无线充电环境下传感器节点能量非常有限而且数据传输能量开销大问题，提出了基于贪心策略的数据传输调度算法，能够从理论上保证满足无伤害约束最大化数据传输性能。针对数据全部传输到数据中心开销大的问题，研究了如何将任务发送到边缘服务器上执行从而最小化响应时间的问题，考虑了边缘任务到达、上传、处理和下传时间等各种因此，提出了有理论性能下界的算法。针对数据中心资源有限情况，研究了带额外收益的多任务调度问题，提出了综合不同情况最终得到有理论下界的近似算法。项目组设计并实现了人眼近视情况监测系统，可实时估计人眼物体之间的距离从而评估近视程度变化情况，采集到数据可为本项目的研究提供数据和平台支撑。本项目研究的问题和算法可以广泛应用到数据传输、边缘计算和云计算环境中。