Raproto：一个用于可穿戴设备的开源快速原型平台

中英文论文标题

• 英文标题：Raproto: An Open-Source Platform for Rapid Prototyping with Wearable Devices
• 中文标题：Raproto：一个用于可穿戴设备的开源快速原型平台

作者信息

• Tarek Hamid, Kimberly Helm, Hyonyoung Choi, Jean Park, Claire Kendell, Stephanie Cummings, Steve Messe, Stefanie Modri, Insup Lee, Amanda Watson, James Weimer
• 来自宾夕法尼亚大学计算机和信息科学系、宾夕法尼亚大学医学院、宾夕法尼亚大学护理学院
• 邮箱地址：{thamid, kimhelm, hyonchoi, hlpark, ckendell, lee, aawatson, weimerj}@seas.upenn.edu, {stephanie.cummings, steven.messe}@pennmedicine.upenn.edu, {modris}@nursing.upenn.edu

论文出处

• 该论文的具体出处在文档中未提及，因此无法提供。

论文主要内容

摘要

随着可穿戴技术的进步，可穿戴设备在远程患者监测，尤其是在临床试验中的普及使用，对高质量数据的依赖使得构建数据收集系统成为首要且耗时的步骤。为了解决这一问题，开发了Raproto，一个开源、易用的快速原型平台，它不需要定制开发所需的时间、努力和专业知识。Raproto平台由三部分组成：可穿戴设备、通信协议和远程存储，支持从小型研究到大型临床试验的大规模数据收集、传输、存储、分析和可视化。为了减轻设备和应用开发的负担，开发了多用途和可定制的智能手表应用，支持Android和Tizen操作系统。通过实验室评估和两个真实世界的案例研究，发现使用Raproto应用可以在单次充电下超过24小时收集数据，且数据丢失很少，因此它是理想的工具，用于在实际影响和商业化之前进行定制设备开发。

引言

可穿戴技术的出现使得健康监测在临床试验中得到广泛应用，允许远程、连续的数据收集。尽管远程健康监测迄今为止取得了成功，并且预计将继续增长，但这些系统的实施引入了新的挑战：开发成本高，需要广泛的基础设施设置来传输、存储和检查收集到的数据。为了减轻这些系统的实施所需的成本和技术努力，许多系统被引入以克服这些障碍，使可穿戴设备能够在大规模临床试验中得到应用。然而，这些平台通常特定于单一数据类型，使用起来繁琐，或者不是开源的。Raproto平台旨在解决这些限制，提供一个开源平台，允许使用可穿戴设备快速开发数据收集系统。

Raproto平台

Raproto平台由三个主要部分组成：智能手表应用、通信协议和远程服务器。平台的详细概述如下：

• 智能手表应用：Raproto应用设计为在Tizen和Android操作系统的智能手表上运行，无需配套智能手机或移动应用即可进行数据收集。用户界面支持在Tizen和Android平台之间轻松切换，允许用户自定义设置，如设备名称、传感器配置、电池管理和数据传输间隔。应用在后台收集数据，即使屏幕关闭或运行其他应用时也能继续，并且可以通过切换开关或选择保存并退出来停止。

• 通信协议：Raproto使用MQTT，这是一种轻量级的消息协议，适合电池受限的可穿戴设备，并且最小化数据丢失。MQTT提供三个服务质量（QOS）级别，用户可以为他们的项目选择适当的QOS级别。

• 远程服务器：Raproto与Thingsboard（一个开源的IoT平台）兼容，用于设备管理、数据收集、处理和可视化。使用SSL MQTT端口8883进行加密连接，允许与任何MQTT代理/客户端组合兼容。Thingsboard的Web门户允许用户管理设备和数据。

 

系统评估

Raproto系统评估提供了对不同配置及其对性能影响的见解。评估包括电池寿命、数据丢失和数据延迟的影响。

• 基线性能改进：Raproto提供了节省电池寿命的设置，通过修改设置，如降低屏幕亮度和禁用未使用的通信，Tizen智能手表和Android智能手表的电池寿命分别增加了约4.8小时和6.2小时。

• 传感器数据量：测试表明，在10 Hz的采样率下，Tizen和Android智能手表的电池寿命均超过24小时。在20 Hz时，电池寿命降至约16小时，在200 Hz时约为12小时。高于250 Hz的采样率显著降低了电池寿命。

• 数据丢失：数据丢失可能由于网络过载或干扰而发生。使用MQTT的三个QOS级别来减轻这个问题，允许用户选择适当的级别。在QOS 0下发现数据丢失（Android和Tizen均约为1%）。在关键场景中，应使用QOS 1或2，因为它们显示没有数据丢失。

• 数据延迟：数据延迟，即从智能手表数据收集到远程服务器存储的时间，受传输率和环境因素的影响。Raproto应用默认每分钟发送一次数据，平衡电池寿命和实时数据需求。在没有干扰的理想环境中，Tizen和Android智能手表的延迟不到一秒。

真实世界部署

• 案例研究概述：使用Raproto收集了200名受试者共4000小时的双轴加速度计数据，以验证StrokeDetectAI算法。在另一项研究中，使用Raproto收集了525名患者的560纳米（绿色）PPG数据，以验证新的产后出血风险评估算法。

• 见解和经验教训：两次部署都为在医院环境中使用消费级可穿戴设备进行数据收集提供了宝贵的见解。Raproto使临床研究人员能够以最小的工程支持设置和操作智能手表。通过Thingsboard监控电池寿命和确保数据收集，提供了即时的视觉反馈，并使他们能够解决初始数据收集问题。

结论

本文介绍了Raproto，一个用于可穿戴设备的开源快速原型平台。Raproto消除了开发定制数据收集系统所需的大量时间、努力和技术专长。通过评估显示，使用Raproto应用的智能手表可以在单次充电下超过24小时收集数据，且在多次真实世界部署中数据丢失很少。这些部署证明了Raproto在临床环境中的可用性，提供了否则需要显著硬件开发和额外成本的数据。