摘要：

在過(guò)去的幾年里，傳感器的使用有了巨大的增長(zhǎng)，成為許多不同領(lǐng)域的寶貴工具。在這種情況下，數(shù)據(jù)的質(zhì)量成為一個(gè)極其重要的問(wèn)題；然而，對(duì)這一特定主題的關(guān)注并不多，只有少數(shù)現(xiàn)有作品關(guān)注這一問(wèn)題。在本文中，我們提出了一個(gè)建議，用于管理安裝在病人家中的傳感器的數(shù)據(jù)流，以監(jiān)測(cè)他們的健康狀況。它的重點(diǎn)是處理傳感器的數(shù)據(jù)流，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們提出了這種數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)質(zhì)量模型和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)。此外，我們的工作引入了一種機(jī)制，以避免由數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的錯(cuò)誤警報(bào)。

1 Introduction

在過(guò)去幾年中，傳感器的使用有了巨大的增長(zhǎng)，成為許多不同領(lǐng)域的寶貴工具，如天氣預(yù)報(bào)、駕駛輔助、水位和質(zhì)量監(jiān)測(cè)、智能家居和健康監(jiān)測(cè)。傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流，一般來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但產(chǎn)生的速率非常高。在這種情況下，數(shù)據(jù)的質(zhì)量成為一個(gè)極其重要的問(wèn)題，特別是在必須根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)做出關(guān)鍵決定的情況下。然而，對(duì)這一特定主題的關(guān)注并不多，只有少數(shù)現(xiàn)有作品關(guān)注這一問(wèn)題。

通過(guò)使用傳感器的健康監(jiān)測(cè)有時(shí)被用于老年人的護(hù)理。不同種類的傳感器被安裝在他們的家里和病人身上，以監(jiān)測(cè)他們的行為和生命體征（血壓和體溫）[7-10]。他們的行為很重要，例如，在阿爾茨海默病患者的情況下。傳感器提供的數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)结t(yī)院，這樣就可以對(duì)病人進(jìn)行監(jiān)控，避免他從一個(gè)地方到另一個(gè)地方的移動(dòng)。醫(yī)院收到的數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)評(píng)估，當(dāng)檢測(cè)到可疑數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生警報(bào)。

這項(xiàng)工作是在上一段所述的背景下進(jìn)行的，重點(diǎn)是處理傳感器的數(shù)據(jù)流，并考慮到數(shù)據(jù)質(zhì)量（DQ）。本工作是在上段所述的背景下進(jìn)行的，重點(diǎn)是處理傳感器的數(shù)據(jù)流，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)質(zhì)量（DQ）。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們提出了健康傳感器數(shù)據(jù)流的DQ模型、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的架構(gòu)以及健康警報(bào)和DQ警報(bào)生成機(jī)制。這項(xiàng)工作的主要貢獻(xiàn)是提出了一個(gè)專門針對(duì)來(lái)自家庭和病人傳感器的數(shù)據(jù)流的DQ模型。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]，數(shù)據(jù)流是一個(gè)連續(xù)的、有序的元素序列，其中的元素 [12]，數(shù)據(jù)流是一個(gè)連續(xù)有序的元素序列，其中元素是實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的。對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行動(dòng)態(tài)查詢的機(jī)制是通過(guò)數(shù)據(jù)窗口，它從數(shù)據(jù)流中獲取某些部分的數(shù)據(jù)。窗口可以考慮元素的數(shù)量進(jìn)行邏輯定義，也可以考慮持續(xù)時(shí)間進(jìn)行物理定義，即在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)到達(dá)數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)[13, 18]。數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)（DSMS）為管理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流和連續(xù)查詢提供了一個(gè)數(shù)據(jù)模型，即在數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)處理數(shù)據(jù)的查詢[1, 2, 6, 11]。

2 Related Work

正如我們之前所說(shuō)，在傳感器數(shù)據(jù)流質(zhì)量方面已經(jīng)做了一些工作。在參考文獻(xiàn)中。[14]中，作者指出，這種數(shù)據(jù)的質(zhì)量限制不能被忽視，應(yīng)該被仔細(xì)管理，以便進(jìn)行詳盡的評(píng)估。這在直接消耗傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用中尤為重要，它們的質(zhì)量成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在其他一些應(yīng)用中，來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便以后進(jìn)行處理。在這些情況下，DQ對(duì)于由數(shù)據(jù)支持的決策仍然是至關(guān)重要的。在參考文獻(xiàn)中。[15]，提出了一個(gè)數(shù)據(jù)流元模型，以允許DQ信息向相應(yīng)的商業(yè)應(yīng)用傳播。作者將他們的分析集中在準(zhǔn)確性和完整性的質(zhì)量維度上。后來(lái)，在參考文獻(xiàn)中。16]中，提出了一個(gè)更完整的質(zhì)量模型（管理五個(gè)DQ維度），并分析了數(shù)據(jù)流處理操作員對(duì)DQ的影響。

[5]作者提出了一個(gè)基于傳感器數(shù)據(jù)完整性的直觀概念的模型。他們測(cè)量到達(dá)消費(fèi)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量，并將其與該點(diǎn)的最大可能數(shù)據(jù)量進(jìn)行比較。

在參考文獻(xiàn)中。[20]，提出了一些減少傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗的機(jī)制。這些 機(jī)制保證了一定水平的DQ，因此它們?cè)谀茉葱屎涂傮w數(shù)據(jù)質(zhì)量之間提供了一個(gè)平衡。他們提出了一個(gè)指標(biāo)，叫做相對(duì)誤差指標(biāo)，用來(lái)衡量準(zhǔn)確答案和近似答案的接近程度。一個(gè)近似的答案是指一些傳感器未能發(fā)送其當(dāng)前讀數(shù)或決定不發(fā)送。關(guān)于質(zhì)量維度，我們注意到他們衡量的是聚合數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，他們也衡量響應(yīng)時(shí)間的新鮮度。

參考文獻(xiàn)中使用了一種概率方法。[17]用于評(píng)估傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量--對(duì)傳感器讀數(shù)的不確定性進(jìn)行建模。傳感器讀數(shù)中的不確定性。DQ在數(shù)據(jù)處理的不同層次上進(jìn)行管理，從傳感器數(shù)據(jù)值到高層情況檢測(cè)。

最后，參考文獻(xiàn)中提出了一個(gè)基于事件的解決方案，以改善衛(wèi)生系統(tǒng)中的DQ。[4]. 提出了事件處理技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)衛(wèi)生機(jī)構(gòu)之間交換的數(shù)據(jù)流和檢測(cè)質(zhì)量問(wèn)題。他們專注于兩個(gè)質(zhì)量方面：與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有關(guān)的數(shù)據(jù)一致性，以及重復(fù)檢測(cè)（實(shí)驗(yàn)室訂單）。他們使用警報(bào)來(lái)通知檢測(cè)到的問(wèn)題。

我們的工作提出了一個(gè)針對(duì)健康監(jiān)測(cè)背景的DQ模型。它管理著一套廣泛的質(zhì)量維度，也區(qū)分了不同的因素，這些特點(diǎn)使得對(duì)DQ的研究更加詳細(xì)和完整。此外，除了定義DQ模型，這項(xiàng)工作還引入了一種機(jī)制，以避免由DQ問(wèn)題產(chǎn)生的虛假健康警報(bào)。

3 Health Monitoring System

我們考慮一個(gè)有三個(gè)房間的智能家居，一個(gè)臥室、一個(gè)廚房和一個(gè)浴室，以及一個(gè)患有阿爾茨海默病的人。每個(gè)房間都配備了兩個(gè)超聲波距離傳感器，測(cè)量一些物體與傳感器的距離。當(dāng)人在房間里時(shí)，傳感器報(bào)告與該人的距離。我們還有兩個(gè)身體上的傳感器：一個(gè)用于血壓監(jiān)測(cè)，一個(gè)用于溫度計(jì)。同時(shí)，有一個(gè)系統(tǒng)接收和管理來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，以檢測(cè) 人的行為或生命體征是否有某些變化。這是一個(gè)實(shí)時(shí)和自動(dòng)的系統(tǒng)，能夠分析來(lái)自不同傳感器的數(shù)據(jù)流并在預(yù)定的情況下發(fā)出警報(bào)。

3.1 Proposed Architecture

用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)組件，他應(yīng)該首先定義需求、質(zhì)量參數(shù)和在他的特定環(huán)境中需要的警報(bào)。然后，中間件負(fù)責(zé)管理分布式和動(dòng)態(tài)查詢的執(zhí)行。
數(shù)據(jù)質(zhì)量管理器負(fù)責(zé)測(cè)量從查詢中獲得的數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并用質(zhì)量值來(lái)豐富數(shù)據(jù)。該模塊與中間件進(jìn)行交互，這樣中間件就能將富含質(zhì)量值的數(shù)據(jù)窗口返回給監(jiān)測(cè)組件。一個(gè)包含歷史血壓數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)由數(shù)據(jù)質(zhì)量管理組件維護(hù)和查詢，以評(píng)估壓力值的準(zhǔn)確性，并由監(jiān)測(cè)組件評(píng)估病人的情況。
監(jiān)測(cè)組件負(fù)責(zé)對(duì)在家的人進(jìn)行監(jiān)測(cè)。它的一些功能是控制病人的溫度和血壓，并知道病人在家里的哪個(gè)房間。它包括一個(gè)警報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)和從傳感器獲得的信息啟動(dòng)警報(bào)。
數(shù)據(jù)處理組件的功能是管理從中間軟件獲得的信息，并將結(jié)果返回給監(jiān)測(cè)組件。

4 DQ Model and Management

在擬議的方案中必須考慮幾個(gè)DQ問(wèn)題。
(i) 由于錯(cuò)誤的傳感器測(cè)量，在定位房子里的人時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。
(ii) 在一個(gè)預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有傳感器測(cè)量：這個(gè)問(wèn)題包括所有類型的傳感器。
(iii) 血壓傳感器的測(cè)量值高于根據(jù)該人血壓的歷史數(shù)據(jù)所預(yù)期的正常值。這可能是由于病人的健康問(wèn)題（應(yīng)發(fā)出警報(bào)；見(jiàn)第3.1節(jié)）或由于DQ問(wèn)題。
(iv) 對(duì)于血壓傳感器和溫度傳感器的數(shù)據(jù)，都有一個(gè)最大和最小的有效值，應(yīng)該得到尊重。
(v) 適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳒y(cè)量速率。當(dāng)增加傳感器測(cè)量速率時(shí)，能源成本和網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)增加；因此，這個(gè)速率應(yīng)該平衡所需的數(shù)據(jù)頻率和系統(tǒng)支持的能源和流量。

考慮到前面描述的問(wèn)題，為了管理這些問(wèn)題，我們定義了一個(gè)DQ模型，指定了一套適用于相關(guān)數(shù)據(jù)的度量。表1顯示了定義的DQ模型。對(duì)于應(yīng)用于某種傳感器的每個(gè)質(zhì)量因素，都定義了一個(gè)度量；例如，對(duì)于應(yīng)用于距離傳感器數(shù)據(jù)的精度因素，定義了Dist-Rec度量。

每個(gè)距離傳感器都有一個(gè)最小值，從這個(gè)值開(kāi)始，它可以測(cè)量一個(gè)距離（其精度）。DistPrec驗(yàn)證一個(gè)數(shù)據(jù)窗口的傳感器值是否滿足這個(gè)最小值（問(wèn)題1）。
Pres-Acc評(píng)估血壓值是否超出了預(yù)期值，在這種情況下，可能存在DQ問(wèn)題或值得特別注意的情況（問(wèn)題3）。
Dist-Dens適用于距離傳感器，因?yàn)橛?jì)算一個(gè)人在房間里的位置時(shí)，需要最小數(shù)量的非空傳感器值（問(wèn)題1）。
每個(gè)傳感器應(yīng)該以系統(tǒng)中定義的最小頻率發(fā)布數(shù)據(jù)；
貨幣因素的度量被用來(lái)驗(yàn)證這一要求的滿足程度（問(wèn)題2和5）。域完整性因子的指標(biāo)控制傳感器的值是否屬于系統(tǒng)中定義的某些整數(shù)范圍(問(wèn)題4)

Dist-Cons適用于同時(shí)來(lái)自幾個(gè)不同距離傳感器的幾個(gè)數(shù)據(jù)窗口。它的目標(biāo)是測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同房間的距離傳感器的值是否一致，即它們不顯示人同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)房間（問(wèn)題1）。

定義的指標(biāo)的粒度是數(shù)據(jù)窗口，但Dist-Cons的情況除外，該指標(biāo)同時(shí)與幾個(gè)傳感器窗口相關(guān)。請(qǐng)注意，準(zhǔn)確度和域完整性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果考慮了滿足所需條件的窗口值的數(shù)量。數(shù)據(jù)質(zhì)量管理器組件將DQ信息附加到數(shù)據(jù)流中。圖2顯示了 與數(shù)據(jù)窗口和附加的DQ信息相對(duì)應(yīng)的概念模式。這不適用于Dist-Cons指標(biāo)，該指標(biāo)由數(shù)據(jù)處理組件計(jì)算）。

例如：考慮到家里房間里的距離傳感器。從中間件發(fā)送到數(shù)據(jù)處理組件的每個(gè)數(shù)據(jù)流具有表2中所示的格式。質(zhì)量值的計(jì)算是使用建議的質(zhì)量模型，在數(shù)據(jù)窗口上應(yīng)用各自的質(zhì)量指標(biāo)。在數(shù)據(jù)窗口上的距離傳感器。在這個(gè)例子中，在第二個(gè)數(shù)據(jù)窗口，有一個(gè)傳感器精度的問(wèn)題，因?yàn)樗囊恍┲档陀趥鞲衅鞯淖钚≈担跃?0.3。平均-而在第三個(gè)窗口中，有一個(gè)空值，所以密度=0.7。數(shù)據(jù)處理組件整合了來(lái)自所有房間的距離傳感器的數(shù)據(jù)，檢測(cè)出人在家中的位置 人在家中的位置，并計(jì)算出相關(guān)的質(zhì)量信息。表3顯示了一個(gè)生成的數(shù)據(jù)流的例子。我們考慮到10分鐘的范圍和房子的房間：臥室（Be）、廚房（K）和浴室（B）。在表中，我們可以看到，系統(tǒng)使用大小為3的窗口返回病人的位置，以及相應(yīng)的質(zhì)量值。

5 Alarm Generation

該系統(tǒng)的主要功能是使用所安裝的傳感器監(jiān)測(cè)家中的人。這是通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)流的分析來(lái)實(shí)現(xiàn)的，考慮到用戶設(shè)置的參數(shù)以及數(shù)據(jù)的質(zhì)量。根據(jù)這種分析，將獲得不同的輸出。如果檢測(cè)到傳感器錯(cuò)誤，將產(chǎn)生某些警報(bào)，而如果檢測(cè)到潛在的病人健康問(wèn)題，將產(chǎn)生其他警報(bào)。在下文中，我們介紹兩個(gè)可能產(chǎn)生警報(bào)的情況的例子。

情況1：為了檢測(cè)人在房子里的位置，在每個(gè)房間都放置了兩個(gè)距離傳感器，以便系統(tǒng)能夠獲得人的位置。這樣系統(tǒng)就能得到人的位置。

- 如果一個(gè)或兩個(gè)傳感器的信息缺失（度量Dist-Dens），那么系統(tǒng)就會(huì)返回一個(gè)DQ警報(bào)，表明遇到的DQ問(wèn)題。

- 如果該人同時(shí)位于兩個(gè)房間內(nèi)（公制Dist-Cons），那么系統(tǒng)就會(huì)返回一個(gè)DQ警報(bào)，表明遇到了DQ問(wèn)題。

- 否則，如果兩個(gè)距離傳感器將人定位在一個(gè)房間里，而在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，另外兩個(gè)傳感器檢測(cè)到人在另一個(gè)房間里，并且這種行為在另一個(gè)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)重復(fù)，那么可能會(huì)有人被激怒的風(fēng)險(xiǎn)，所以系統(tǒng)會(huì)返回一個(gè)健康警報(bào)。

圖3顯示了系統(tǒng)組件的動(dòng)態(tài)，以及它們? ? ? ?如何在這個(gè)用例中互動(dòng)以發(fā)送健康警報(bào)。如果病人在短于預(yù)定參數(shù)（變化周期）的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)房間移動(dòng)到另一個(gè)房間，這被認(rèn)為是一個(gè)潛在的問(wèn)題；但是，如果這種行為重復(fù)了一些時(shí)間（時(shí)間段參數(shù)化的躁動(dòng)周期），系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)送警報(bào)，表明病人正在遭受躁動(dòng)。圖4顯示了該算法。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)認(rèn)為，當(dāng)病人在短時(shí)間內(nèi)被檢測(cè)到出現(xiàn)在不同的房間時(shí)，他很可能是激動(dòng)的。在很短的時(shí)間內(nèi)被檢測(cè)到在房子的不同房間里，就認(rèn)為病人可能處于激動(dòng)狀態(tài)。系統(tǒng)用戶設(shè)置了兩個(gè)參數(shù)：變化周期和躁動(dòng)周期。變化周期表示在兩個(gè)不同的房間里檢測(cè)到的人之間所經(jīng)過(guò)的最大時(shí)間段。躁動(dòng)期表示病人在屋內(nèi)不斷改變位置的時(shí)間段的最小值。圖4顯示了確定是否產(chǎn)生由人的躁動(dòng)引起的健康警報(bào)的算法。

Situation 2:

為了檢測(cè)病人的高血壓或低血壓，該系統(tǒng)使用了一個(gè)體外壓力傳感器。這個(gè)傳感器定期測(cè)量病人的壓力，系統(tǒng)另外使用歷史壓力數(shù)據(jù)來(lái)比較這些數(shù)值并檢測(cè)健康問(wèn)題。

- 如果在預(yù)定的時(shí)間段內(nèi)沒(méi)有來(lái)自傳感器的信息（公制Pres-Curr），那么系統(tǒng)就會(huì)返回一個(gè)DQ警報(bào)，指出遇到的DQ問(wèn)題。

- 如果從傳感器測(cè)得的信息超出了系統(tǒng)指示的參數(shù)（公制Pres-Dom），那么系統(tǒng)就會(huì)返回一個(gè)DQ報(bào)警，表明遇到了DQ問(wèn)題。

-?否則，如果測(cè)量值超過(guò)病人的最大歷史壓力值（從歷史壓力數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得）或低于最小歷史壓力值，并且如果這種行為持續(xù)一定時(shí)間，那么這種情況表明病人的血壓高/低，系統(tǒng)會(huì)返回一個(gè)健康警報(bào)。

圖5顯示了系統(tǒng)組件的動(dòng)態(tài)，以及它們?nèi)绾卧谶@個(gè)用例中互動(dòng)以發(fā)送健康警報(bào)。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)認(rèn)為，如果在確定的連續(xù)測(cè)量次數(shù)中，血壓測(cè)量值超過(guò)了最大歷史壓力值，則病人有高血壓。另外，如果在相同數(shù)量的預(yù)定測(cè)量中，測(cè)量值低于最低歷史壓力值，則系統(tǒng)認(rèn)為是低血壓。由系統(tǒng)用戶設(shè)置的一個(gè)參數(shù)period_prec表示考慮血壓?jiǎn)栴}的連續(xù)測(cè)量的數(shù)量。圖6和圖7介紹了確定是否產(chǎn)生由人的高/低血壓引起的健康警報(bào)的算法

6 Conclusions

在本文中，我們提出了一個(gè)建議，用于管理安裝在病人家中的傳感器的數(shù)據(jù)流，以監(jiān)測(cè)他們的健康狀況。我們描述了傳感器數(shù)據(jù)中可能存在的一系列問(wèn)題，考慮到這些問(wèn)題，我們提出了一個(gè)DQ模型。此外，還提出了一個(gè)負(fù)責(zé)處理傳感器數(shù)據(jù)的系統(tǒng)架構(gòu)。

最后，通過(guò)兩個(gè)例子介紹了一種生成健康警報(bào)和DQ警報(bào)的方法。例子。我們強(qiáng)調(diào)了溝通DQ錯(cuò)誤及其細(xì)節(jié)的重要性。DQ警報(bào)是應(yīng)用DQ度量的結(jié)果，它拋出了關(guān)于錯(cuò)誤種類和問(wèn)題程度的信息。系統(tǒng)的用戶將擁有識(shí)別數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的要素，并采取行動(dòng)來(lái)糾正和防止錯(cuò)誤。該信息作為DQ警報(bào)發(fā)送，區(qū)別于任何其他錯(cuò)誤信息。除此以外，還有健康警報(bào)，其目的是通知病人可能出現(xiàn)的健康問(wèn)題。

這項(xiàng)工作中提出的DQ模型是專門為特定環(huán)境和特定種類的傳感器設(shè)計(jì)的。然而，這個(gè)建議可以被看作是朝著為傳感器數(shù)據(jù)流定義一個(gè)通用的DQ模型邁出的一步。這項(xiàng)工作是正在進(jìn)行的兩篇研究生論文的一部分，其中正在對(duì)最適合傳感器數(shù)據(jù)流的DQ維度和度量進(jìn)行更深入的研究，同時(shí)也在探索利用DSMS的特性實(shí)現(xiàn)質(zhì)量度量。在這種情況下，所提出的解決方案的實(shí)施正在進(jìn)行中。