[论文解读] A Reliable IoT-Based Embedded Health Care System for Diabetic Patients

Zeyad Al‐Odat, Sudarshan K. Srinivasan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2019

IoT and Edge/Fog Computing参考文献 21被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于物联网的嵌入式医疗系统，用于糖尿病患者护理，采用 Alaris 8100 胰岛素泵、Keil LPC-1768 微控制器和云集成。通过 SHA-256 哈希和 SSH 加密确保可靠性，实现 99.3% 的可用性以及健康记录处理速度低于毫秒级。

ABSTRACT

This paper introduces a reliable health care system for diabetic patients based on the Internet of Things technology. A diabetic health care system with a hardware implementation is presented. The proposed work employs Alaris 8100 infusion pump, Keil LPC-1768 board, and IoT-cloud to monitor the diabetic patients. The security of diabetic data over the cloud and the communication channel between health care system components are considered as part of the main contributions of this work. Moreover, an easy way to control and monitor the diabetic insulin pump is implemented. The \mbox{patient extquotesingle s} records are stored in the cloud using the Keil board that is connected to the infusion pump. The reliability of the proposed scheme is accomplished by testing the system for five performance characteristics (availability, confidentiality, integrity, authentication, and authorization). The Kiel board is embedded with Ethernet port and Cortex-M3 micro-controller that controls the insulin infusion pump. The secure hash algorithm and secure socket shell are employed to achieve the reliability components of the proposed scheme. The results show that the proposed design is reliable, secure and authentic according to different test experiments and a case study of the Markov model. Moreover, a 99.3\% availability probability has been achieved after analyzing the case study.

研究动机与目标

• 设计一种可靠、安全且实时的基于物联网的糖尿病患者医疗系统。
• 解决存储在云中的糖尿病患者健康记录中的关键安全挑战，包括机密性、完整性及认证。
• 实现对胰岛素输注泵的远程监控与控制，具备强大的访问控制和数据完整性保障。
• 通过马尔可夫建模和性能测试，评估系统在可用性、机密性、完整性、认证和授权方面的可靠性。
• 实现软硬件一体化架构，确保患者设备、云平台和护理人员之间低延迟、安全的数据传输。

提出的方法

• 使用配备 Cortex-M3 微控制器和以太网接口的 Keil LPC-1768 板卡，实现实时数据处理和通信。
• 将 Alaris 8100 胰岛素泵与嵌入式系统集成，实现自动化胰岛素输送控制。
• 采用 SHA-256 算法保障消息完整性和数据真实性，通过密码学哈希实现篡改检测。
• 应用 SSH 加密技术，为系统组件与云平台之间的通信通道提供安全保障。
• 通过认证和授权机制实施访问控制，仅允许授权实体访问数据。
• 采用马尔可夫链模型分析系统可靠性，故障率和恢复率基于实测数据得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于物联网的嵌入式系统如何确保在监测糖尿病患者时具备高可用性和可靠性？
• RQ2 SHA-256 和 SSH 加密在多大程度上能共同保障患者健康数据的机密性、完整性和认证？
• RQ3 系统在实时处理健康记录时的端到端处理延迟是多少？
• RQ4 系统如何在不危及患者安全的前提下，维持对胰岛素输注泵的安全远程控制？
• RQ5 在真实运行条件下，系统发生故障或停机的概率是多少？

主要发现

• 根据马尔可夫模型分析，系统保持正常运行状态的概率达到 99.3%。
• 对 70 份糖尿病患者健康记录样本的平均处理时间为 5.8 × 10⁻⁴ 秒（0.58 毫秒），标准差较低，表明性能稳定。
• 系统成功实现了五项可靠性特征：可用性、机密性、完整性、认证和授权。
• 在实现中未发现针对 SHA-256 的成功碰撞攻击，证实了数据完整性的强保障。
• 通过 SSH 保护通信、SHA-256 保障哈希，有效防止了未授权访问和数据篡改。
• 系统支持对胰岛素泵的远程监控与控制，具备安全认证访问，显著提升了患者护理效率。