物联网智能防晒站:描述性概念验证研究

介绍

紫外线辐射(UVR)是黑色素瘤和角质细胞皮肤癌的主要环境危险因素。澳大利亚是世界上皮肤癌发病率最高的国家之一，至少是美国或英国的两倍。1]。一项荟萃分析显示，户外工作者患皮肤癌的风险增加，户外工作者患鳞状细胞癌的风险几乎是室内工作者的两倍[2]，而基底细胞癌的风险则增加近1.5倍[3.]。在澳大利亚人口中，估计约有23.1%的工人在工作时接触到紫外线辐射[4]。尽管教育工作一直在进行，但公众对过度暴露在阳光下的有害影响的理解与经常使用防晒霜之间仍然存在脱节。澳大利亚工作暴露研究报告对1100名户外工作者进行了调查，结果发现，尽管94.9%的澳大利亚户外工作者使用了防晒措施，但只有8.7%的工人被列为完全防护措施，其中最常用的防护措施是穿防晒服和戴帽子[4]。在一项澳大利亚户外工作者的研究中(n=162)， 93%的工人报告说他们的工作场所提供防晒霜;然而，防晒霜是使用频率最低的个人防护装备(PPE)，只有40%的工人自我报告在工作时间经常或总是使用防晒霜。5]。此外，从事户外工作的工人(56.9%)每天在工作时暴露于紫外线辐射的时间超过4小时，其中矿业、农业、动物及园艺工人[4]。在《2012-2022年澳大利亚工作健康与安全战略》中，皮肤癌被列为与工作有关的疾病，需要优先开展预防活动，工作场所必须提供个人防护装备[6]。

经常涂抹防晒霜已被证明可减少鳞状细胞癌和黑色素瘤的发病率[7]并阻断紫外线对体内皮肤细胞的有害分子效应[8]。改善防晒行为的健康干预通常通过自我报告来评估防晒霜的使用情况，这可能受到社会期望偏见和不准确的记忆回忆的影响[9，10]。问卷调查或访谈也可能难以完成，参与者可能会错过问题，而且他们不允许实时监控遵守情况。通过使用标准化的天平和称重瓶来确定防晒霜的使用量，可以客观地测量防晒霜的使用情况。这种称量方法的局限性包括:缺乏使用数据的时间戳，称重依赖于归还防晒霜瓶，以及无法计算可能有多少人在使用防晒霜。Armstrong及其同事[11]之前开发了一种电子监控设备来测量防晒霜的使用情况，其中包括将手机绑在防晒霜瓶上。每次取下防晒管上的盖子，电子监控器就会实时向数据库发送一条短信，记录打开的日期和时间。然而，该设备携带起来很笨重，数据库接口也很有限[11]。

物联网(Internet of Things, IoT)是将普通物品升级为能够连接互联网，从而传输信息的概念。在卫生系统中，美国一家医院将支持物联网的智能设备用于预防健康，以测量医院工作人员洗手的频率[12]。该系统有一个安装在天花板上的传感器来监控人流，还有一个肥皂和洗手液电子监控分配器来跟踪使用情况。这为医院管理人员提供了进入特定区域时有多少人洗手的合规率。

为了改善防晒霜在工作场所的应用，本研究旨在通过开发一个智能防晒霜站来利用物联网智能设备，该站可以将数据流传输到在线管理系统，以帮助健康和安全管理人员确定防晒霜的使用频率，测量防晒霜存放处的温度，并在需要更换防晒霜容器时发出警报。

方法

智能防晒站开发

本研究开发了一个物联网智能防晒霜站，可以客观地测量市售的1升泵防晒霜产品的使用情况。市面上可买到的防晒产品加装了磁铁和柔性印刷电路板传感器，以测量泵机构的推力和防晒剂的分配(图1)。然后将防晒传感器组件通过一根扁平柔性电缆连接到智能防晒站外壳内的印刷电路板上，该外壳包含电池、主微控制器(ESP32, expressif，上海，中国)、蜂窝Cat-NB1无线电(BG96, Quectel Wireless Solutions Co Ltd，上海，中国)和处理电子设备。外壳由塑料制成，以便将蜂窝天线安装在内部，以防止它们暴露在环境中(图2)。通过Cat-NB1网络(澳大利亚墨尔本的Telstra Corporation Limited)提供蜂窝连接。一个开源的消息队列遥测传输代理/服务器(mosquito, Eclipse Foundation, Ottawa, Canada)被用来通过互联网从设备收集数据(图3)，设备和服务器之间的所有通信都使用交易层安全(TLS) 1.2版本(图4)。数据存储在SQL数据库中，并使用Python v3编写的小型web应用程序提供服务。

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实验室观察测试

为了检查智能防晒站是否正确连接并记录数据到服务器，在澳大利亚布里斯班(大约纬度27)进行了观测测试^o153年代,^oE).将一个满1升的防晒霜瓶抽10次，并称重以确定所配防晒霜的体积。将净重500克的1升防晒霜瓶抽10次称量。将一个净重200克的1升防晒霜瓶抽10次称量。然后将服务器上带有时间戳的数据与观察到的时间记录的泵和瓶子的重量进行比较。

智能防晒站通过将其放在35度的烤箱中进行热测试^o1小时。使用红外手持式温度计(ThermaTwin TN410LCE红外温度计，OneTemp，阿德莱德，澳大利亚)记录智能防晒霜站的温度。将智能防晒站放置在45度的烤箱中进行进一步的热测试^oC 30分钟，另外记录12天的数据。

智能防晒站部署

实地研究时间为2018年11月至2018年12月(澳大利亚夏季)，昆士兰州的紫外线指数一直在9以上，可达到14+，每天都需要防晒。一个智能防晒霜站被部署在澳大利亚达尔比(纬度27)的户外工作场所^o151年代,^oE).在2018年11月25日至2018年12月6日的测试期间，智能防晒霜站被带到位于Dalby和Chinchilla之间的钻井平台。该基地是一家天然气开采企业，工人在高紫外线环境下活动，没有地下劳动力。智能防晒站被放置在空调会议室和午餐室，这是一个高流量区域，所有员工在一天开始和休息时都可以进入。在开始户外工作之前，现有的安全会谈就在这里举行。本研究中使用的防晒霜是市售的SPF 50+(澳大利亚最高的SPF水平)。智能防晒霜站没有监测个人使用防晒霜的情况，也没有监测谁使用过防晒霜。它测量了防晒霜被泵送的次数和储存温度，并在需要更换防晒霜时向数据库发送通知。

从最终用户(包括卫生和安全官员、采购官员和卫生官员)那里获得反馈，以设计和改进软件仪表板。围绕仪表板信息图的问题被要求协助传达物联网智能防晒霜站收集的数据。此外，研究人员的电子邮件和电话联系方式也被提供给工作人员，以便在部署期间投诉、解决技术问题或提供进一步信息。智能防晒站的部署是为了评估功能，而不是人类受试者的研究;因此，我们获得了机构伦理审查委员会的豁免。

统计分析

将防晒霜使用变量二分类为分类数据:如果将防晒霜使用的时间戳数据记录到服务器，则防晒霜使用数据编码为“yes”;如果将防晒霜瓶子泵送但未将数据记录到服务器，则防晒霜使用数据编码为“no”。科恩卡帕评分的计算是为了确定防晒霜使用的分类变量之间是否存在一致。防晒霜的重量数据以克为单位记录，并计算每泵的观察重量，并与服务器预测的重量进行比较。Spearman等级相关系数用于确定服务器预测和观察到的权重之间的相关性。值>0.4-0.6被认为是中等，>0.6-0.8被认为是实质性的，>0.8-1.0几乎是完全一致的。使用Prism GraphPad(版本7,GraphPad Software, San Diego, CA)和SPSS软件(版本25.0,IBM Corp, Armonk, NY)进行分析。

结果

实验室测试及连通性

智能防晒霜站的实验室测试表明，观察到的防晒霜使用情况与服务器记录的防晒霜使用情况完全一致(κ=1.0, 95% CI 1.00-1.00;表1)。防晒霜瓶的实际重量与基于服务器使用数据的预测重量几乎完全一致(r=1.0, 95% CI 1.00-1.00，P<措施;表1)。智能防晒站温度传感器向服务器记录温度超过最高存储温度30℃^o在35℃下进行1小时的烤箱孵育^oC.进一步用45℃的烤箱孵育1小时进行测试^oC，在热应激后测量期间(100%连接，12/12天)，设备继续运行并与服务器连接并发送数据。

现场测试和连接

在户外工作场所部署期间，智能防晒站每天将数据上传到消息队列遥测传输服务器(图5)。在智能防晒站部署的12天里，没有收到员工的投诉或担忧。智能防晒站放置于某钻机现场有空调的现场会议和午餐室，最高储存温度不超过30℃^oC在现场试验期间。智能防晒站所在地区的网络覆盖情况，如图中绿色区域所示，显示接收情况良好(图6)。智能防晒站每天在本地记录数据，每天晚上按软件编程将数据上传到服务器一次，12天中有12天接收数据(100%连接)。智能防晒站不需要持续连接，数据存储在本地，每天只传输一次数据。数据传输大约需要10秒，设备上测量到的平均传输电流为70毫安。睡眠电流约为10-20 uA。因此，在正常情况下，系统电池寿命预计主要受到磷酸铁锂(LiFePO)自放电的限制₄)电池。

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安全

互联网上的所有通信都使用TLS v1.2进行保护，并在设备的固件中使用预共享证书。对微控制器本身进行加密，以防止在微控制器和蜂窝无线电之间使用中间人攻击读取或修改数据。此外，微控制器利用闪存加密和安全启动来防止任何未经授权的读取或修改固件。

数据管理系统

在与户外工作场所的健康和安全角色的利益攸关方(n=5)协商后，制定了仪表板信息图表，以协助传达在智能防晒霜站收集的数据(图7-9)。防晒霜使用数据被转换成消费者友好的信息图表，使用收集到的时间戳信息绘制出防晒霜泵的数量随时间的变化。可显示前几个月的历史数据，并叠加以不同颜色标示的紫外线指数天气资料，以显示使用防晒霜的趋势(图7)。每瓶中剩余的防晒霜含量可以用泵的数量乘以所分配的重量来估计，这是由数据管理系统计算出来的，并转换成信息图表(图8)。然后，防晒霜的水平可以随时间变化而变化，以协助维护计划，并在需要更换防晒霜瓶时发出通知提醒用户(图8和9)。

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讨论

主要研究结果

我们的数据表明，这个物联网智能防晒霜站可以在户外工作环境中准确记录1升瓶中带时间戳的防晒霜使用情况。在澳大利亚地区一个室外工作场所进行的为期12天的现场测试部署中，该站的电气元件保持正常运行，每天都在服务器上接收数据，从而实现了100%的连接。此外，我们报告了观察到的防晒霜使用情况与服务器记录的数据之间的高度相关性，以及观察到的防晒霜瓶的重量与基于服务器使用数据的软件生成的预测重量之间的高度相关性。基于研究设置和结果，我们建议智能防晒霜站可能成为一个有价值的工具，帮助优化户外工作场所的防晒霜供应和维护。

户外工作者有患皮肤癌的风险，而且通常没有采取足够的防晒措施，研究表明，那些认为在工作场所重视防晒的工人的防晒水平更高[14，15]。户外工作人员的防晒措施受工作地点及个人因素影响，有关策略应以工作地点环境及工作人员的态度及行为为目标[5]。已建议工作地点提供个人防护装备，为户外工作人员提供更广泛的支持，以促进积极的行为，从而改善他们的防晒措施[16]。智能防晒站通过说明正在向工人提供适当的个人防护装备，显示出为工作场所健康和安全立法要求生成相关数据的巨大希望。防晒霜的实时监控和库存管理将确保工作人员始终可以获得适当水平的防晒霜，允许有针对性的培训作为低使用率区域健康和安全计划的一部分，并确保所提供的防晒霜不会过热导致效果降低。

先前的研究发现，在公共场所防晒霜站的使用率很低[17]。Kirby等[17在一个游乐园设置了一个免费的防晒站(没有物联网技术)，研究人员通过计算经过、接近或与防晒站互动的人数，从远处观察防晒站的使用情况。在3个观察期中，有879人经过防晒站，2.6%-5.1%的游客表示对防晒站感兴趣，使用防晒站的游客更少(0%-2.9%)。Kirby等人的研究[17报道称，公众很难认出防晒霜站，并建议增加指示牌。在户外工作环境中，防晒霜是一项重要的PPE措施，防晒霜使用数据可用于告知员工PPE合规和实践。英国一项针对户外工作者的研究报告显示，防晒教育与工人使用防晒措施有关[18]。使用防晒霜的其他障碍包括，它很耗时，涂上它可能会因为油腻或出汗增加而不舒服。使用智能防晒霜站测试各种防晒霜，以确定首选类型，可以增加防晒霜的使用。

物联网技术还可以实现客观的数据收集，而不是依赖于自我报告或在评估旨在提高防晒习惯的健康促进计划的环境中进行观察性研究。未来的研究将不仅使户外工作场所，而且使其他高紫外线环境，如娱乐场所和学校，能够评估防晒霜的使用情况。

确保安全可靠的网络连接是物联网部署的重要考虑因素，特别是在农村或地区。与流媒体应用不同，物联网智能防晒站不需要持续连接，因为设备每天只需要传输一次数据;因此，可以节省电池寿命，并且对物联网设备的维护要求最小。然而，数据传输是通用的，可以调整到从秒到天的范围。例如，在公共场所或交通流量大的工作场所，可以设定5分钟的数据传输间隔，这样就可以及时更换防晒霜。

与其他网络替代方案相比，窄带物联网网络能够提供广泛的覆盖范围。在这项研究中，我们展示了从城市中心到区域区域的不同区域的可靠连通性。面向物联网设备的Amazon Web services和Microsoft Azure等公开可用的基于云的服务的进步，也为传统的本地托管环境提供了具有成本竞争力的替代方案。这些平台允许用户使用行业标准安全系统(如TLS)连接他们的资产，以安全可靠地收集数据并进行双向通信。

后端数据管理系统处理从物联网设备接收的数据，是设计的重要组成部分，对于允许最终用户解释数据至关重要。这项研究发现，使用信息图表向最终用户传达物联网数据是可以接受的，而且比表格更受欢迎。这些结果与其他医疗保健传播报告相似，都表明更倾向于采用引人入胜的方式，以丰富多彩的、简洁的方式视觉传达信息[19]。这款智能防晒设备可以采用12个月或24个月的租赁协议，其中包括服务和维护，以及每月的费用安排。这减少了工作场所直接购买智能防晒站的高昂前期成本。

物联网具有实时收集和集成数据以提高运营效率的潜力。然而，据我们所知，之前没有研究调查过物联网在户外工作场所防晒霜监测中的有效集成和应用。Wu及其同事之前的研究[20.]使用物联网可穿戴式身体传感器测量体温、心率以及温度、二氧化碳、紫外线指数和湿度等环境条件，收集的数据用于在发生紧急情况时触发警报。身体传感器数据通过低功率广域网连接，数据传输仅限于网关网络区域内，据报道，网关网络区域室内为520米，室外为926米。该研究以建筑工人为研究对象，报告了高紫外线辐射暴露，并证明了收集安全监测信息以协助工作场所健康和安全计划的潜力[20.]。此前，物联网技术也被部署在医院厕所清洁度的通知系统中，当厕所需要清洁时，公众用户按下按钮。21]。柴及同事[21]报告说，这是一种可行的方法，可以简化厕所清洁等维护活动，并将进一步扩展到包括关键的供应补充任务。释放物联网技术的潜力，以协助并导致基于证据的改进，需要评估设备的影响，以及吸引最终用户的策略，并传达从收集的数据中产生的好处。成功部署的关键技术考虑因素包括确保适当的网络连接，设计具有与当前组织平台运行的强大管理系统的产品，规划在高紫外线环境下的存储，并仔细考虑配置以最大限度地降低隐私和安全风险。

本研究的目的是评估智能防晒霜站在区域户外工作场所的概念证明。本研究的局限性包括，我们没有分析软件数据，也没有捕获健康行为改变的数据，如防晒习惯指数或员工敬业度;此外，现场测试时间仅为12天。访谈分析受到样本量小(n=5)的限制，未来的研究可以扩展到户外工作者使用防晒霜的其他促进因素和障碍。未来部署物联网设备的项目还可以进一步探索实施因素，包括人的方面，如态度、行为和能力，以及组织、财务和立法流程。

结论

建议经常使用防晒霜来防止晒伤，降低患皮肤癌的风险。防晒霜是户外工作者必不可少的个人防护用品，尤其是在面部、颈部和手部。为了帮助工作场所保护工人免受紫外线辐射，智能防晒霜站可以帮助简化供应、补充库存和储存要求，特别是在高温环境中，并通过有针对性的培训有利于健康和安全计划。本研究为物联网智能防晒站在户外工作场所(包括澳大利亚的区域和偏远地区)的技术可行性提供了证据。