王寶珠，劉 振，郭志濤

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

基于Android智能的健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王寶珠，劉 振，郭志濤

(河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

針對(duì)傳統(tǒng)健康監(jiān)測系統(tǒng)的體征參數(shù)采集過程繁瑣、獲取不便、顯示單一等缺點(diǎn)，開發(fā)基于安卓智能終端的人體參數(shù)智能監(jiān)測系統(tǒng)，并對(duì)此種解決方案做可行性分析。系統(tǒng)通過穿戴在身體上的各傳感器采集相應(yīng)的體征信息，并通過傳感器的藍(lán)牙無線通信模塊，采用藍(lán)牙一主多從的組網(wǎng)方式，將數(shù)據(jù)發(fā)送至安卓智能端集中處理并顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：它能夠?qū)鞲衅鞑杉降捏w征信息實(shí)時(shí)發(fā)送至安卓智能端，以更人性化、更友好的界面展現(xiàn)在用戶面前。系統(tǒng)框架良好，設(shè)計(jì)成本更低，組網(wǎng)更方便，有效地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)人體體征參數(shù)采集系統(tǒng)的不足。

無線體域網(wǎng)；藍(lán)牙；安卓；健康監(jiān)測

1 無線體域網(wǎng)

近年來，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子集成技術(shù)和傳感器技術(shù)飛速發(fā)展[1-2]，可穿戴、便攜式健康監(jiān)測系統(tǒng)(Wearable Portable Health Monitoring System)逐漸成為國際上的研究熱點(diǎn)。無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network，WBAN)的深入研究則無疑為該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了最佳的平臺(tái)解決方案。人體健康體征參數(shù)信息的采集在健康醫(yī)療領(lǐng)域有著非凡的作用和意義。目前，它已越來越多的應(yīng)用到我國許多醫(yī)療系統(tǒng)中[3]。傳統(tǒng)的人體體征參數(shù)采集系統(tǒng)往往是各信息采集傳感器、無線通信模塊與PC等醫(yī)療終端建立連接、組網(wǎng)[4]，將各傳感器采集到的人體體征信息經(jīng)由無線傳輸網(wǎng)絡(luò)(包括藍(lán)牙、WiFi、Zigbee等)發(fā)送到PC醫(yī)療終端[5]，再經(jīng)Internet進(jìn)行信息共享，組網(wǎng)復(fù)雜、過程繁瑣、反應(yīng)滯后，個(gè)人無法實(shí)時(shí)掌握自己的健康參數(shù)信息，更無法依據(jù)這些健康信息及時(shí)對(duì)用戶實(shí)施有效的救治或健康病變防御措施。

隨著無線通信技術(shù)和安卓智能終端的日益發(fā)展，新一代健康監(jiān)測系統(tǒng)有了更優(yōu)秀的解決方案[6]。基于安卓智能終端組網(wǎng)具有設(shè)計(jì)成本更低，組網(wǎng)更方便，以及更友好的人機(jī)交互和便捷的使用體驗(yàn)等特點(diǎn)。測試結(jié)果表明：它能夠?qū)鞲衅鞑杉降娜梭w體征信息實(shí)時(shí)發(fā)送至安卓智能端，速度幾乎同時(shí)同步，對(duì)于人體參數(shù)智能監(jiān)測領(lǐng)域?qū)崟r(shí)傳輸數(shù)據(jù)的要求具有重要的參考價(jià)值，并能以較完美的界面展現(xiàn)在用戶面前，且滿足了便攜移動(dòng)、方便智能的需要。

2 系統(tǒng)功能概述

系統(tǒng)對(duì)人體的健康體征參數(shù)(包括體溫、脈搏、血壓、血氧飽和度等)信息分別利用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集，并將采集到的信息經(jīng)由藍(lán)牙硬件通信模塊實(shí)時(shí)發(fā)送至安卓智能終端。

安卓手機(jī)端對(duì)采集到的各體征信息先進(jìn)行簡單分類顯示，使用戶可以在同一界面掌握所有健康信息，并且對(duì)不同體征信息設(shè)計(jì)詳細(xì)顯示界面，使用戶可以準(zhǔn)確掌握某一特定信息當(dāng)前時(shí)間的變化情況。同時(shí)，可預(yù)留系統(tǒng)短信接口，將健康信息經(jīng)短信或Internet實(shí)現(xiàn)共享或發(fā)送至PC醫(yī)療終端，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶健康信息的匯總觀察管理，并據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行診斷，對(duì)用戶實(shí)施有效的救治或健康病變防御措施。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

健康監(jiān)測系統(tǒng)整體框架如圖1所示，系統(tǒng)由底層硬件端和上層安卓軟件端組成，硬件端采集信息，經(jīng)藍(lán)牙通信方式發(fā)送信息至手機(jī)端APP。

安卓端軟件設(shè)計(jì)采用功能模塊化方式，總程序分為各個(gè)獨(dú)立的子模塊，各子模塊完成各自相應(yīng)的功能，由主程序據(jù)情況統(tǒng)一調(diào)度，以便于調(diào)試程序，也利于程序的修改、移植以及實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

各子模塊主要包括：初始化模塊；程序運(yùn)行模式模塊；藍(lán)牙連接及切換模塊；底層信息獲取模塊；界面信息顯示模塊以及定時(shí)器中斷等。

系統(tǒng)主程序統(tǒng)一調(diào)度各個(gè)不同的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。主程序首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作和自檢，如無故障則首先選擇程序運(yùn)行模式(默認(rèn)為自動(dòng)運(yùn)行模式)，同時(shí)初始化藍(lán)牙連接和藍(lán)牙切換模塊，掃描周圍藍(lán)牙裝置，依次進(jìn)行配對(duì)連接，連接成功之后，向當(dāng)前連接裝置發(fā)送指令，此時(shí)遠(yuǎn)程硬件模塊將傳感器采集到的信息經(jīng)藍(lán)牙通信模塊發(fā)至安卓手機(jī)端，手機(jī)端對(duì)接收信息處理、分類，在布局界面相應(yīng)位置進(jìn)行集中顯示，并根據(jù)用戶要求來顯示信息詳情。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 運(yùn)行模式設(shè)計(jì)

選擇軟件運(yùn)行模式是極為關(guān)鍵的一步，選擇合適的運(yùn)行模式，可以使用戶更方便、更快捷地查看自己的健康信息。

進(jìn)入軟件后，首先選擇軟件獲取系統(tǒng)底層信息的運(yùn)作方式，這里默認(rèn)為自動(dòng)連接方式。當(dāng)點(diǎn)按模式選擇按鈕，將當(dāng)前運(yùn)行模式設(shè)為自動(dòng)連接后，用戶無需再次操作，程序會(huì)自動(dòng)訪問遠(yuǎn)程端藍(lán)牙裝置，首先連接體溫信息采集板，成功獲取體溫信息后，會(huì)自動(dòng)切斷當(dāng)前所連接藍(lán)牙，并向下一個(gè)遠(yuǎn)程藍(lán)牙裝置——血壓信息采集板發(fā)送握手信息，成功連接后，自動(dòng)獲取血壓信息，再次斷開當(dāng)前所連接藍(lán)牙，并向下一個(gè)藍(lán)牙裝置發(fā)送握手信息，依次連接，循環(huán)往復(fù)，從而使用戶能夠極為方便的查看所有健康信息。

考慮到實(shí)際使用情況，系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)手動(dòng)連接方式，在手動(dòng)連接模式中，軟件并不主動(dòng)連接遠(yuǎn)程藍(lán)牙裝置，而是由個(gè)體自己操作來選擇具體連接遠(yuǎn)程哪個(gè)藍(lán)牙裝置(溫度模塊、脈搏模塊、心律模塊或血壓模塊)，這樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠更快捷、更高效地獲取用戶當(dāng)前最想查看的某一特定健康信息。

3.3 藍(lán)牙連接及遠(yuǎn)程端藍(lán)牙切換

此模塊為系統(tǒng)安卓端軟件的最重要部分，調(diào)試、優(yōu)化、完善好此部分內(nèi)容，才能使整個(gè)軟件更流暢無誤的接收來自遠(yuǎn)程信息采集板發(fā)送的信息，從而使下一步的信息獲取和信息顯示成為可能。

首先，在選擇好運(yùn)行模式后，軟件會(huì)初始化本地藍(lán)牙設(shè)備，同時(shí)分別創(chuàng)建兩個(gè)意圖過濾器，用以過濾接收查詢與完成的動(dòng)作和搜索完成的廣播操作。此時(shí)，如是在手動(dòng)模式下(自動(dòng)模式下，以下操作實(shí)現(xiàn)均由軟件自行完成)，在程序運(yùn)行之初生命周期onStart( )即運(yùn)行一個(gè)新的意圖，以啟動(dòng)本地藍(lán)牙適配器。

其次，點(diǎn)擊軟件中相應(yīng)連接按鈕，給定預(yù)連接藍(lán)牙地址，本地藍(lán)牙適配器啟動(dòng)藍(lán)牙搜尋：BluetoothAdapter.startDiscovery( )。

第三，程序調(diào)用藍(lán)牙固定通用唯一識(shí)別碼UUID (Universally Unique Identifier)，以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的連接。

第四，藍(lán)牙連接成功之后，進(jìn)行遠(yuǎn)程端信息獲取工作，詳細(xì)步驟將在后面信息獲取模塊進(jìn)行詳細(xì)闡述。

第五，點(diǎn)擊斷開按鈕(自動(dòng)模式下由程序定時(shí)器實(shí)現(xiàn))，關(guān)閉藍(lán)牙，socket.close( )，即斷開當(dāng)前藍(lán)牙連接。

第六，本地藍(lán)牙適配器繼續(xù)搜尋遠(yuǎn)程端下一個(gè)藍(lán)牙裝置，并進(jìn)行連接，然后獲取信息，以此循環(huán)往復(fù)。整個(gè)運(yùn)行流程如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙連接與切換流程圖

3.4 硬件設(shè)計(jì)及底層信息獲取

底層體征信息采集傳感器主要包括體溫傳感器TMP112、脈搏傳感器HKG-78和血壓傳感器US9111。

信息采集模塊利用各體征傳感器采集信息，并通過單片機(jī)的A/D通道進(jìn)行轉(zhuǎn)化和處理。課題中主要利用MSP430F149的序列通道單次轉(zhuǎn)換模式(也可以通過設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的寄存器實(shí)現(xiàn)序列通道多次轉(zhuǎn)換模式的切換)。通過對(duì)定時(shí)器A的操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔的設(shè)置。定時(shí)器A中斷到來時(shí)，先停止A/D轉(zhuǎn)換，然后讀取A/D采集到的數(shù)據(jù)，讀取完畢后再啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，若成功取出數(shù)據(jù)，則以設(shè)置標(biāo)志位的方式告知主程序成功獲取數(shù)據(jù)，該模塊的工作流程如圖4所示。

圖4 體征信息模擬量采集流程圖

底層信息采集板首先啟動(dòng)I2C總線，對(duì)傳感器(如TMP112溫度傳感器)寫初始化，依次發(fā)送器件從地址(寫指令)、溫度寄存器子地址、器件從地址(讀指令)，從而實(shí)現(xiàn)底層信息采集板對(duì)信息的獲取，如圖5所示。

圖5 體征信息采集流程圖示例(溫度)

安卓智能端軟件在藍(lán)牙連接成功之后，即進(jìn)行信息的獲取。首先點(diǎn)擊相應(yīng)信息的獲取按鈕，判斷當(dāng)前藍(lán)牙連接狀態(tài)，若當(dāng)前藍(lán)牙地址不是規(guī)定的藍(lán)牙地址，則斷開重新搜索，若當(dāng)前連接藍(lán)牙是規(guī)定的藍(lán)牙地址，則判斷Socket是否為空，若非空則通過調(diào)用socket.getInputStream( )獲取遠(yuǎn)程端發(fā)來的信息，程序中設(shè)置信息為8位。

圖6 安卓端軟件獲取體征信息流程圖

如圖6所示，程序從Socket中獲取輸出流，創(chuàng)建一個(gè)寫輸出流， 用BufferedWriter將其包裹起來，用以緩沖輸出，用PrintWriter在寫入同時(shí)對(duì)寫入的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，輸出message調(diào)用flush( )方法，把緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)強(qiáng)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程端的寫指令操作。遠(yuǎn)程端接收后，會(huì)將采集到的信息發(fā)送至手機(jī)端，安卓軟件端建立定時(shí)器任務(wù)，100 ms獲取一次底層信息，以實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)更新。

4 軟件操作與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

界面編寫采用簡潔明了的風(fēng)格，在體征信息主顯示界面，更簡潔人性化的將軟件所有操作命令及顯示信息集中顯示。如圖7所示，進(jìn)入軟件，首先是初始引導(dǎo)界面，3 s后進(jìn)入主顯示界面，此時(shí)如手機(jī)未打開藍(lán)牙，軟件會(huì)啟動(dòng)權(quán)限提醒打開藍(lán)牙。點(diǎn)擊按鈕選擇“是”，軟件會(huì)打開藍(lán)牙。此時(shí)正式進(jìn)入主顯示界面，包括運(yùn)行模式選擇、手動(dòng)連接模式下各相應(yīng)傳感器連接按鈕、斷開當(dāng)前連接按鈕、信息獲取按鈕均在主顯示界面一一秩序呈現(xiàn)，如圖8所示。

圖7 初始界面到主界面(截圖)

軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)模式為主模式，進(jìn)入軟件后，在自動(dòng)模式下，軟件會(huì)控制手機(jī)搜尋遠(yuǎn)程端溫度信息采集板的藍(lán)牙通信模塊，并建立連接，軟件會(huì)提示連接成功。此時(shí)，遠(yuǎn)程端溫度信息采集板采集到的溫度信息會(huì)自動(dòng)顯示在溫度信息顯示框內(nèi)，溫度信息獲取成功。同時(shí)程序內(nèi)部計(jì)時(shí)器會(huì)控制當(dāng)前連接藍(lán)牙斷開，以斷開當(dāng)前連接，軟件進(jìn)入下一項(xiàng)信息的采集、顯示環(huán)節(jié)。

當(dāng)前藍(lán)牙連接斷開后(手動(dòng)模式下可點(diǎn)擊斷開按鈕實(shí)現(xiàn)斷開)，繼續(xù)獲取下一項(xiàng)體征信息，例如獲取用戶血壓信息，

圖8 主界面及體溫信息顯示示例(截圖)

軟件控制手機(jī)連接遠(yuǎn)程端血壓信息采集板的藍(lán)牙通信模塊，以獲取血壓信息，如圖9所示。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)詳情顯示功能，可以使用戶觀察到最近時(shí)間的體征信息變化，從而對(duì)自己的身體情況更直觀、具體的了解掌握，如圖10所示。

圖9 多信息集中顯示(截圖)

t/s圖10 詳情顯示界面示例(溫度)

如上所述，自動(dòng)連接模式下，用戶點(diǎn)擊進(jìn)入自動(dòng)模式后，無需再次操作，簡便、人性，同時(shí)，如前所述，軟件設(shè)計(jì)手動(dòng)模式，用戶可以通過點(diǎn)按相應(yīng)按鈕，更快捷、高效率地獲取用戶當(dāng)前最想獲取的特定體征信息，用戶可以根據(jù)自己的具體情況要求來選擇相應(yīng)的模式。

5 結(jié)束語

無線體域網(wǎng)這個(gè)概念已經(jīng)被提出來多年，然而近些年才在健康監(jiān)測、智能醫(yī)療相關(guān)領(lǐng)域迅速發(fā)展，各種硬件傳感器也不斷涌現(xiàn)[7]。本文研究了一種基于Android智能平臺(tái)、以藍(lán)牙無線通信技術(shù)為核心的健康監(jiān)測系統(tǒng)的解決方案。測試結(jié)果表現(xiàn)良好，較完善地實(shí)現(xiàn)了人體體征信息從采集到顯示的各項(xiàng)要求。

此系統(tǒng)Android智能端用戶顯示界面后續(xù)仍可進(jìn)行優(yōu)化、改良，使得軟件更加易用、簡便，界面也更美觀，同時(shí)還可為此系統(tǒng)繼續(xù)添加其他信息傳感器，擴(kuò)展系統(tǒng)功能。由于醫(yī)療設(shè)備的規(guī)格不同，沒有統(tǒng)一的實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)[8]，此系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需視具體情況要求稍做修改、調(diào)試。

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王寶珠(1962— )，女，碩士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向?yàn)樾畔z測、圖像處理、多媒體通信等；

劉 振(1989— )，碩士生，主研數(shù)字信號(hào)處理理論與應(yīng)用；

郭志濤(1979— )，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、射頻識(shí)別、嵌入式系統(tǒng)。

責(zé)任編輯：時(shí) 雯

Design and Implementation of Health Monitoring System Based on Android Smart

WANG Baozhu，LIU Zhen，GUO Zhitao

(SchoolofElectronicsInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300401，China)

In view of traditional health monitoring system has tedious gathering process， inconvenient gaining and sole demonstration， an intelligent monitoring system of anthropometric parameters which based on android smart terminal is developed， and the feasibility analysis to it is made as well. This system through the various sensors dressing on body gathering corresponding symptom information. In addition， it through using Bluetooth wireless communication module and a multiple slaves networking of Bluetooth master， sending data to Android smart terminal so that it can be processed intensively and displayed. The experimental result indicated that it is able to send signs information gathering by sensors to Android smartphones， for case of bringing more humanized and friendly interface to the users. Favorable framework， lower design costs and more convenient networking compensate for the deficiencies of traditional health monitor system effectively.

WBAN； bluetooth； Android； health monitoring

TP311.5

A

10.16280/j.videoe.2015.24.007

2015-07-21