Інтелектуальна інформаційна система моніторингу здоров'я за допомогою Bluetooth з низьким енергоспоживанням

Abstract

Нині системи дистанційного моніторингу (RMS) привертають велику увагу завдяки своїй корисності в багатьох сферах застосування, наприклад, у медицині чи моніторингу місцевості, спорті, військовій галузі тощо. Таким чином, було започатковано та розроблено багато проектів, особливо у сфері охорони здоров’я, що визначають різні архітектури. Нині з’являється багато додатків, заснованих на бездротових сенсорних мережах, які цікавлять багато особливостей людського життя. Це, наприклад, випадок охорони здоров’я, моніторингу на місцях, моніторингу промислового виробництва, безпеки, військових тощо. Завдяки Інтернету ці програми дозволяють віддалено моніторингу пацієнтів, що дає багато переваг, таких як мобільність пацієнта, коли він не знаходиться у лікарні, доступність, коли місце спостереження недоступне тощо. Для охорони здоров’я та інших додатків, які включають людину як об’єкт моніторингу, був визначений спеціальний стандарт бездротового зв’язку і названий бездротовою мережею тіла (WBAN)[1]. Таким чином, WBAN — це набір сенсорних вузлів, розгорнутих на тілі людини, що можна носити або в тілі, як імплантати, які передають свої відчутні дані координатору, а той передає їх на віддалену станцію через те, що ми називаємо одноранговими мережами (WLAN, WIMAX, LTE та UMTS), які потім будуть оброблені та проаналізовані. Створення системи віддаленого моніторингу на основі WBAN (WBAN-RMS) спеціально для медичних додатків і людей, це міждисциплінарна область, яка включає знання у сфері комунікації, проектування, програмування, операційних систем тощо[2]. Bluetooth Low Energy (BLE) – це інноваційна техніка, яка вперше була використана в Bluetooth 4.0 і використовується в технологіях Bluetooth 5.0 і 5.2[3]. Технології Bluetooth 5.0 і 5.2 зараз широко використовуються у всіх видах електронного комунікаційного обладнання (наприклад, комп’ютерах, планшетах, смартфонах, носимих пристроях). BLE має здатність мінімізувати споживання електроенергії та вартість обладнання в малопотужних пристроях, що стає конкурентною схемою серед величезної кількості стандартних методів бездротової передачі, які вже існують у повсякденному житті для великої кількості застосувань. Як одне з доступних рішень у бездротовій передачі, технологія Bluetooth, оснащена модулем BLE, дуже підходить для розвитку технології Інтернету речей (IoT), яка набуває все більшого інтересу. Bluetooth з низьким енергоспоживанням ідеально підходить для програм, які потребують періодичної передачі невеликих обсягів даних. Таким чином, BLE добре підходить для датчиків, приводів та інших невеликих пристроїв, які потребують низького споживання енергії. BLE добре працює з великою кількістю вузлів зв’язку з обмеженими вимогами до затримки, дуже низьким споживанням енергії та коротким часом підключення та пробудження. BLE прагне забезпечити той самий діапазон зв’язку, що й класичний Bluetooth, споживаючи менше енергії. Найбільш істотні відмінності між BLE та класичним Bluetooth полягають у тому, що BLE має нижчу швидкість передачі даних, BLE використовує лише 40 каналів (37 для даних і 3 для адвертайзингу) замість 79, відсутність підтримки аудіо та спрощена машина станів. Як BLE, так і класичний Bluetooth, працюють у діапазоні частот ISM 2,4 ГГц (промислова наукова та медична), а саме діапазон частот BLE від 2,402 ГГц до 2,480 ГГц. Щоб мінімізувати перекриття з іншими каналами IEEE 802.11, три канали адвертайзингу (37, 38 і 39) зосереджені на частотах 2402 ГГц, 2426 ГГц і 2480 ГГц[3]. Системи дистанційного моніторингу здоров’я (RHMS) приваблюють пацієнтів, лікарів та осіб, які доглядають за ними. RHMS зменшує кількість необхідних госпіталізацій, надаючи необхідні медичні послуги для пацієнтів вдома. Крім того, постійний моніторинг стану здоров’я за допомогою RHMS є обнадійливим рішенням для людей, які страждають на хронічні захворювання. Загалом RHMS — це трирівнева архітектура, де перший рівень використовує інтелектуальні носимі датчики для збору фізіологічних ознак[4]. Більшість виробників носимих датчиків комерціалізували сенсорні пристрої з комунікаційними інтерфейсами Bluetooth з низьким енергозбереженням, що призвело до розробки різноманітних інтерфейсів зв’язку RHMS з використанням BLE для збору фізіологічних даних пацієнтів. Представлено основні поняття, пов’язані з проектуванням та розробкою RHMS, а також деталі функціонування Bluetooth з низьким енергозбереженням[5]. Об’єктом дослідження є процес створення інтелектуальної інформаційної системи моніторингу здоров’я. Предметом дослідження є розробка та створення мобільного застосунку для моніторингу здоров’я використовуючи Bluetooth з низьким енергоспоживанням. Мета дослідження є розробка системи моніторингу здоров’я за допомогою Bluetooth з низьким енергоспоживанням. Необхідно дослідити роботу та особливості BLE. Спроектувати та розробити відповідну програму для демонстрації роботи продукту. В результаті роботи було розроблено алгоритм вичитування даних з сенсорів використовуючи особливості Bluetooth та побудови графіків згідно отриманих даних. А також було розроблено мобільний додаток для операційних систем iOS 15 та iPadOS 15 з зручним інтерфейсом користувача та можливістю ділитись отриманими даними з лікарем або іншим користувачем.Today, remote monitoring systems (RMS) are attracting a lot of attention due to their usefulness in many areas of application, such as medicine or field monitoring, sports, military, etc. Thus, many projects have been initiated and developed, especially in the field of health care, which define different architectures. Many applications based on wireless sensor networks are appearing today, which are of interest to many features of human life. These are, for example, health care, field monitoring, industrial production monitoring, security, military monitoring, and so on. Thanks to the Internet, these programs allow remote monitoring of patients, which provides many benefits, such as mobility of the patient when he is not in the hospital, accessibility when the observation site is not available, and so on. A special wireless standard has been set for health care and other applications that involve humans as objects of monitoring and is called the Wireless Body Network (WBAN)[1]. Thus, WBAN is a set of sensory nodes deployed on the human body that can be worn or in the body as implants, which transmit their tangible data to the coordinator, who transmits them to a remote station because of what we call peer-to-peer networks (WLAN, WIMAX, LTE and UMTS), which will then be processed and analyzed. Creating a remote monitoring system based on WBAN (WBAN-RMS) specifically for medical applications and people, is an interdisciplinary field that includes knowledge in the field of communication, design, programming, operating systems and more[2]. Bluetooth Low Energy (BLE) is an innovative technique that was first used in Bluetooth 4.0 and is used in Bluetooth 5.0 and 5.2 technologies[3]. Bluetooth 5.0 and 5.2 are now widely used in all types of electronic communications equipment (such as computers, tablets, smartphones, wearables). BLE has the ability to minimize power consumption and the cost of equipment in low-power devices, which is becoming a competitive scheme among the huge number of standard wireless transmission methods that already exist in everyday life for many applications. As one of the available solutions in wireless transmission, Bluetooth technology, equipped with a BLE module, is very suitable for the development of Internet of Things (IoT) technology, which is gaining more and more interest. Bluetooth low energy is ideal for applications that require periodic small data transfers. Thus, BLE is well suited for sensors, drives and other small devices that require low power consumption. BLE works well with a large number of communication nodes with limited latency requirements, very low power consumption and short connection and wake-up times. BLE strives to provide the same range of communication as classic Bluetooth, consuming less power. The most significant differences between BLE and classic Bluetooth are that BLE has a lower data rate, BLE uses only 40 channels (37 for data and 3 for advertising) instead of 79, no audio support and a simplified status machine. Both BLE and classic Bluetooth operate in the 2.4 GHz ISM frequency range (industrial, scientific and medical), namely the BLE frequency range from 2.402 GHz to 2.,480 GHz. To minimize overlap with other IEEE 802.11 channels, the three advertising channels (37, 38 and 39) focus on 2402 GHz, 2426 GHz and 2480 GHz[3]. Remote health monitoring systems (RHMS) attract patients, doctors and caregivers. RHMS reduces the number of hospitalizations required by providing the necessary medical services to patients at home. In addition, continuous health monitoring with RHMS is an encouraging solution for people suffering from chronic diseases. In general, RHMS is a three-tier architecture where the first tier uses intelligent wearable sensors to collect physiological features[4]. Most wearable sensor manufacturers have commercialized touch devices with low-energy Bluetooth communication interfaces, which has led to the development of a variety of RHMS communication interfaces using BLE to collect physiological data from patients. The basic concepts related to the design and development of RHMS, as well as details of the operation of Bluetooth with low energy savings are presented[5]. The study object is the process of creating an intelligent information system for health monitoring. The scope of the research is the development of a mobile application for health monitoring using Bluetooth low energy. The goal of the research is to develop a health monitoring system using Bluetooth low energy. It is necessary to investigate the operation and features of BLE. Design and develop an appropriate program to demonstrate the performance of the product. As a result, an algorithm was developed to read data from sensors using the features of Bluetooth and plotting graphs according to the obtained data. Also, a mobile application was developed for iOS 15 and iPadOS 15 operating systems with a user-friendly interface and the ability to share data with a doctor or other user.