一种基于上下文感知的个性化健康服务系统

摘要

本发明公开了一种基于上下文感知的个性化健康服务系统，包括：上下文获取模块：采集家居设备及家庭用户的原始上下文，并将原始上下文发送给上下文建模模块；上下文建模模块：采用分层的模式建立领域知识本体和上下文本体，领域知识本体和上下文本体均采用本体语言进行描述，实现原始上下文统一；智能处理模块：对高层上下文进行数据挖掘及分析，确定家庭用户及家居设备的行为模式并将该行为模式存储在上下文库中；将上下文库中的行为模式与领域知识库中的信息进行比对，分析家庭用户行为模式的异常情况；系统应用模块：家居设备根据上下文库中存储的行为模式为家庭用户提供相应的服务；根据家庭用户行为模式的分析情况，为家庭用户制定健康服务。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种信息技术领域的系统，尤其涉及一种智能家居中基于上下文感知的个性化健康服务系统。

背景技术

近年来，智能家居概念已经逐渐深入到国民的生活之中，且不断影响着人们的思维。众多有能力的社区开始安装使用智能家居系统，并体验智能化家居为生活带来的安全、舒适和便利。一个好的智能家居系统应该是家庭生活的卓越助手，它能通过现代信息通信技术与家庭各种设备进行有机的结合，对家居设备进行统筹管控，通过收集和分析人们日常生活中的各项信息来优化居住者的生活环境，提供舒适安全、高品质的家庭生活空间。一个良好的智能家居系统能够灵活控制家用电器，监控人们的健康状况，为任何异常情况提供建议和信息反馈，为每个家庭成员制定个性化的健康计划，并推动用户执行这个计划。

如何针对智能家居健康服务系统中的各种数据进行分析需求，研究数据智能分析技术，包括数据集成与融合技术、数据仓库与数据挖掘技术、数据展示与系统集成技术等多个环节，研究构建面向个性化服务的信息多维模型，就成为目前业内研究的一个热点。EasyLiving是微软研究院开发的一个项目，该技术方案支持智能环境中各种设备的动态互连。这个普适计算项目支持系统间通信，可实现对象和人的跟踪定位，并且提供可视化机制。但是，EasyLiving项目的焦点在于在控制房间设备，缺乏对居住者的健康提供个性化的服务。专利公布号为CN 102736607 A的“一种基于数据融合的家居安全健康远程监测系统”，公开了一种装配于智能轮椅的家居安全健康远程监测系统，通过该系统可以进行环境安全以及人体健康指数监测，根据检测的危险信息进行报警。但是该专利技术面向的用户范围很局限，不适应于普通用户的健康服务。  

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较强的人机交互能力和推理能力，能够基于上下文感知的为普通用户提供个性化健康服务的系统。

为了达到上述目的，本发明公开了一种基于上下文感知的个性化健康服务系统，用于根据收集的上下文，为家庭用户提供个人诊疗及健康计划服务，其特征在于包括：

上下文获取模块：用于采集家居设备及家庭用户的原始上下文，并将采集的原始上下文发送给上下文建模模块；

上下文建模模块：用于采用分层的模式建立领域知识本体和上下文本体，所述领域知识本体包括领域中的实体、实体属性以及所述实体与实体属性之间的关系；所述上下文本体用于描述所述领域中的实体的具体任务概念以及概念之间的关系；所述上下文本体对所述领域知识本体的实体属性进行扩展，所述领域知识本体和上下文本体均采用本体语言进行描述，进而实现原始上下文的统一，生成高层上下文；

智能处理模块：对所述高层上下文进行数据挖掘及分析，确定家庭用户及家居设备的行为模式并将该行为模式存储在上下文库中；将存储在所述上下文库中的行为模式与存储有所述领域知识本体的领域知识库中的信息进行比对，分析家庭用户行为模式的异常情况；

系统应用模块：家居设备根据所述上下文库中存储的行为模式为家庭用户提供相应的服务；根据家庭用户行为模式的分析情况，为家庭用户制定健康服务。

优选的，所述上下文获取模块进一步包括家居设备上下文获取模块和家庭用户上下文获取模块，所述家居设备上下文获取模块通过布设在家居设备上的传感器收集家居设备的原始上下文，包括家居设备的属性、家居环境的温湿度；所述家庭用户上下文获取模块通过人机交互设备收集家庭用户的原始上下文，包括家庭用户的基本信息、家庭用户的各项生理参数、家庭用户位置。

优选的，所述智能处理模块还包括规则库，该规则库存储有家庭用户规则和家居设备规则，所述家庭用户规则、家居设备规则与家庭用户日常行为模式、健康状况、家庭环境及对健康的预期值相关，所述家庭用户规则由家庭用户直接设置并根据实际情况进行调整，所述家居设备规则通过规则引擎管理上下文的采集并发送控制指令给相应的家居设备。

更优的，所述系统应用模块根据所述规则库中存储的规则，针对家庭用户行为模式的分析情况，为家庭用户制定包括健康计划、提醒、检测、评估以及健康计划优化调整的健康服务。

优选的，所述系统应用模块进一步包括系统基本执行单元，该系统基本执行单元之间通过信息机制进行通讯。

优选的，所述布设在家居设备上的传感器的无线传输网络采用星状网络拓扑结构的ZigBee无线网络。

本发明通过分层的模式建立上下文本体和领域知识本体，并用本体语言进行统一的表述，进而实现了对采集的原始上下文的处理使其格式统一。通过对历史上下文信息进行分析并与领域知识库的内容进行对比，能够实现更好的智能推理，使家居设备能够根据分析得到的用户的行为模式在一定的时间为家庭用户提供相应的服务。本发明系统架构比较灵活，能够根据用户的意愿更新规则，系统执行单元都高度个性化，不会相互影响其执行过程。本发明能够对一些不适宜的生活习惯在早期就进行发现和提醒，制定健康计划并督促家庭用户执行，有利于家庭成员用户的健康。

附图说明

图1是本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统的系统示意图；

图2是本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统的系统结构示意图；

图3是本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统的工作流程图；

图4是本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统上下文建模模块的建模示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明中所涉及的相关术语定义及缩略词：

RFID： Radio Frequency Identification，射频识别技术，是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。

上下文：智能家居环境中用来描述实体的任何信息，实体可以是家庭用户或者居室内各类设备以及传感器。

WSN：Wireless Sensor Network  无线传感器网络。

Agent：一个能够自动收集某种信息或执行某种服务的应用程序。

本发明基于上下文感知的个性化健康服务系统是基于数据融合技术，充分利用上下文感知计算，辅助家庭用户培养更加健康的生活方式。如图1、图2所示，本发明基于上下文感知的个性化健康服务系统包括：上下文获取模块、上下文建模模块、智能处理模块和系统应用模块。

上下文获取模块主要用于采集家居设备及家庭用户的原始上下文，并将采集的原始上下文发送给上下文建模模块。所述上下文获取模块进一步包括家居设备上下文获取模块和家庭用户上下文获取模块，所述家居设备上下文获取模块通过布设在家居设备上的传感器收集家居设备的原始上下文，包括家居设备的属性、家居环境的温湿度；所述家庭用户上下文获取模块通过人机交互设备收集家庭用户的原始上下文，包括家庭用户的基本信息、家庭用户的各项生理参数、家庭用户位置。

上下文获取模块是本发明系统关键模块之一。在智能家居环境中，需要获取两类上下文，一类是物体上下文，例如家居环境中设备的各种属性等，这类信息通过布设在家居设备上的传感器感知获取；第二类是用户上下文，描述家庭用户的信息，例如家庭用户各项生理状态值、位置等。每个家庭用户的喜好和习惯可以依据家庭用户的历史上下文自动生成，而家庭用户的个人信息可以通过人际交互设备的各种人机界面直接输入，也可以通过语音等控制输入。

布设在家居设备上的传感器包括一般类型的传感器，如温湿度、压力传感器和RFID传感器。布设在家居设备上传感器的无线传输网络采用星状网络拓扑结构的ZigBee无线网络。一般类型的传感器通过嵌入式微控制器接入ZigBee无线网络，RFID传感器则直接接入ZigBee无线网络。

一个功能相对完善的智能家居环境中，家居设备及布设在其上的传感器具有多样化的特点，家庭成员用户需求也各不相同，通过上下文获取模块收集的原始上下文信息表达方式不统一，为了生成高层上下文信息，以提供个性化的健康服务，本发明系统通过上下文建模模块对原始的上下文信息进行统一。

上下文建模模块：用于采用分层的模式建立领域知识本体和上下文本体，所述领域知识本体包括领域中的实体、实体属性以及所述实体与实体属性之间的关系；所述上下文本体用于描述所述领域中的实体的具体任务概念以及概念之间的关系；所述上下文本体对所述领域知识本体的实体属性进行扩展，所述领域知识本体和上下文本体均采用本体语言进行描述，进而实现原始上下文的统一，生成高层上下文。

领域知识和上下文是本发明系统中的关键资源信息，在上下文建模模块中利用本体概念进行建模。基于本体的模型具有很强的形式化表示和语义表达能力，方便进行后期智能推理。

如图3所示，采用分层的概念创建领域知识本体和上下文本体。领域知识本体由该领域中的实体、实体属性以及领域中的实体和实体属性之间的关系构建。领域知识本体由领域专家或工程师预先构建并存储在领域知识库中。存储在领域知识库中的信息相对固定，能够为该领域中的不同应用共享。例如，对智能家居域，包含关键的实体居室，家庭成员用户，房间中的各项设备，以及指令。用户通过指令这个实体控制设备。上下文本体描述具体任务概念以及概念之间的关系，它们通过继承领域知识本体相关属性并进行扩展。由图3所示，上下文表述为领域知识的实例，例如某个家庭有夫妻两个家庭用户成员，家中卧室有主卧室和次卧室等，这些都是上层领域知识中用户和房间的实例。本发明中分层次的领域知识本体和上下文本体模型有利于在各类应用间实现知识的共享和重用。领域知识本体和上下文本体的模型用本体描述语言OWL（Ontology Web Language）描述，实现了原始上下文格式的统一。

经过上下文建模模块对原始上下文进行格式统一生成高层上下文后，进一步通过智能处理模块进行数据挖掘与上下文推理，进而实现智能分析。

智能处理模块：对所述高层上下文进行数据挖掘及分析，确定家庭用户及家居设备的行为模式并将该行为模式存储在上下文库中；将存储在所述上下文库中的行为模式与领域知识库中的信息进行比对，分析家庭用户行为模式的异常情况。

智能处理模块包括领域知识库和上下文库。所述智能处理模块还包括规则库，该规则库存储有家庭用户规则和家居设备规则，所述家庭用户规则、家居设备规则与家庭用户日常行为模式、健康状况、家庭环境及对健康的预期值相关，所述家庭用户规则由家庭用户直接设置并根据实际情况进行调整，所述家居设备规则通过规则引擎管理上下文的采集并发送控制指令给相应的家居设备。

人的健康依赖于日常的生活习惯，为了提供个性化健康服务，智能处理模块要对高层上下文进行智能推理，这项任务的完成需要依赖数据挖掘。借助数据挖掘的算法，分析积累的历史上下文数据，并在上下文库中存储用户已确定的行为模式，例如家庭用户、每天几点起床，进食习惯以及喜欢听什么音乐等。根据这些行为模式进行推理，在家庭用户再次实施这些行为模式时提供相应的服务，例如在工作日时间，按照其作息习惯启动闹钟；当家庭用户启动多媒体播放设备时，按照个人喜欢的历史列表进行播放。此外，智能处理模块将存储在所述上下文库中的行为模式与领域知识库中的信息进行比对，分析家庭用户行为模式的异常情况。比如，对比领域知识库中的健康食谱，分析家庭用户的进餐情况，并反馈给家庭用户进餐改进与否的信息，使家庭用户决定是否需要调整。

现通过一个实例来说明规则与领域知识库及上下文的关系。例如，用户在回家路上，通过智能手机发送了一条消息“请打开客厅空调”，规则库中预先设定的规则会首先把该信息分成3条短语：“打开”，“客厅”，“空调”，依据领域知识库提取它们的类别，“打开”是指令，“客厅”是居室，“空调”是设备；然后规则根据上下文库产生一个完整的指令消息，该消息先触发家庭用户Agent确认用户的权限，然后触发家居设备Agent执行控制指令，至此一次交互结束。

通过智能处理模块利用领域知识和上下文进行推理分析家庭用户的行为模式及异常情况后，系统应用模块需要据此信息为用户提供一套完善的健康服务，包括计划、提醒、检测、评估以及计划的不断调整优化。

系统应用模块用于家居设备根据所述上下文库中存储的行为模式为家庭用户提供相应的服务；根据家庭用户行为模式的分析情况，为家庭用户制定健康服务。

健康计划的制定依赖于一系列的规则，这些规则与家庭用户日常行为模式有关，比如目前的健康状态、家庭环境、对健康的预期值等。对家庭用户，规则用自然语言直接表述，便于用户随时调整自己的要求；对底层传感器数据，通过规则引擎来管理数据的采集，以及发送控制指令给相应的设备。规则保存在规则库中，如果要增加新的推理规则，只需要修改规则库即可。

系统应用模块还包括系统基本执行单元，系统基本执行单元以Agent方式开发，居室，家居设备，家庭用户都有各自的Agent。所有的Agent通过消息机制进行通讯。

本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统的工作流程如图2所示，本发明的基于上下文感知的个性化健康服务系统通过家庭用户所处环境布设的多传感器设备以及人机交互设备，实现对人体各项生理参数、生活环境以及生活模式的监测与记录；收集的信息被传至系统服务器端进行高效处理，通过数据挖掘与上下文推理，进行智能分析，抽取出有意义的数据，提供个人诊疗与健康计划等反馈信息的自动推送，使得家庭用户及时获得感兴趣的信息与服务的动态更新，家庭用户可对推送信息进行交互操作。本发明可以为需要健康科学生活方式的用户提供实时便利的服务，提高居民整体健康水平。

下面通过简单示例说明本发明系统的工作过程。领域知识库中提前存储有日常饮食以及健康规则，例如不同性别、不同年龄段的健康人群的各项生理参数值，各种食物的热量表等；上下文库中存储家庭成员近期的参数值，如果这些参数值没有超出正常范围，则系统不做任何反应，如果某一时刻，某项参数，例如体重计上的传感器获得的体重数据与领域知识库中的数据对比后超出正常范围，这时系统会告知家庭用户异常情况，并为该家庭用户制定一个健康计划，包括提供每一餐的卡路里食谱以及锻炼计划等。家庭用户可以根据在系统界面上对此计划根据实际情况进行适当的调整。系统制定的健康计划通过智能手机等设备提醒督促家庭用户执行，并且通过每天新收集的参数值进行效果评估及反馈。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。