陳 群，蔡桂煜，王吉生，陳惠明，陳泉成，劉持標

(三明學院 信息工程學院 物聯(lián)網應用福建省高校工程研究中心，福建三明365004)

隨著我國經濟實力的不斷發(fā)展，人們的生活得到了顯著的提高。在如今物質充裕的社會，人們攝取食物的種類越來越多，體重也不斷增加，相應而來的健康問題也接連發(fā)生。在人們常吃的食物中，特別是肉類中，含有大量的膽固醇，隨著歲月的積累，這類物質不斷地增加，造成了大量的肥胖癥狀及高血壓。而人類在繁忙的工作學習中，很難抽出時間到醫(yī)院進行健康檢查，甚至連自己的身體狀況也一無所知。隨著越來越多的人死于肥胖和高血壓相關的疾病，人們越來越關注自己的體重、身高、血壓及心率等生理特征，希望及早得到自己身體健康方面的預警。

當前，人體的身高一般是由人工使用尺子來進行測量的。體重的測量一般是通過機械稱重設備或電子稱重設備[1]來完成的。電子稱重設備通過使用壓力傳感器收集體重的模擬電壓值，經過AD芯片轉換后，產生體重值信號的數(shù)字信號的值，最后根據參考值，算出精確的實際體重值。如今，醫(yī)療設備中測血壓方式，大多數(shù)屬于基于柯氏法的氣壓式血壓計，此類方式需要測量者通過設備聽取動脈的聲音，根據聲音產生和消失的方式來確定收縮壓和舒張壓值。該血壓計除了專業(yè)人士通常不容易使用，普通人測量有諸多不變?？率戏ㄑ獕簻y量存在諸多的缺陷：一是不好判斷舒張壓產生的時間；二是這種方式憑人的感覺器官，普通人很難測準血壓。在電子血壓計[2-5]發(fā)展的歷程中，曾經有科氏法電子血壓計的產生，但是由于發(fā)現(xiàn)血壓計不穩(wěn)定、可靠性差，所以無法得到很好的推廣。

當前所使用的測取身高、體重、血壓和心率的設備存在著幾個問題。第一，一般情況下這4個生理參數(shù)的測量分別是由不同的設備在不同的時間來完成的，實施起來比較耗時和操作麻煩；第二，由不同設備所測取的這4個生理數(shù)據難以進行統(tǒng)一的存儲和關聯(lián)；第三，目前設備所測量的這4個生理數(shù)據還不能及時統(tǒng)一地存儲到遠程數(shù)據庫服務器；第四，目前的設備和系統(tǒng)還不能及時對當前及歷史身高、體重、血壓和心率生理數(shù)據進行合理分析及給出科學建議。

針對當前所存在的4個問題，我們開發(fā)了基于Android手機[6]的智能家庭健康監(jiān)控設備及系統(tǒng)。該智能設備所集成的手臂式電子血壓計模塊具有小型化、低功耗、智能化程度高的優(yōu)點，它克服了水銀血壓計不便測量的缺點，可以同時測取血壓及心率；而且在測量體重的同時，采用超聲波傳感器測量身高，比傳統(tǒng)的測身高設備更加方便。智能家庭健康監(jiān)控設備及系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)的身高、體重、血壓和心率測量設備歷史數(shù)據難以存儲、生理數(shù)據難以關聯(lián)及大量歷史生理數(shù)據難以分析的問題；所制作的智能設備與Android手機結合，可以實時高效測量及處理人體健康相關的體重、血壓、心率及身高數(shù)據。同時，所制作的智能設備所使用的溫度傳感器模塊可以實時測量環(huán)境溫度，該溫度數(shù)據一方面可以用來校正體重、身高及血壓傳感器所測數(shù)據的準確度，另一方面還可以將人體生理健康數(shù)據同環(huán)境溫度進行關聯(lián)。所開發(fā)的設備及系統(tǒng)實現(xiàn)了人性化，智能化的要求，可方便高血壓患者以及中老年人使用；再者，對所存儲的歷史數(shù)據進行分析，可以形成個體的健康情況報告，它將為改善個體的健康給出科學性建議。

1 基于健康監(jiān)控設備的遠程醫(yī)療服務系統(tǒng)設計分析

如圖1所示，結合本智能家庭健康監(jiān)控設備的硬件、智能手機、Android APP、傳輸網絡及數(shù)據服務中心可以實現(xiàn)遠程醫(yī)療監(jiān)護服務系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特色是實現(xiàn)了人體身高、血壓、心率、體重數(shù)據及環(huán)境溫度的實時記錄以及可進行歷史數(shù)據的分析。通過Android智能手機對家庭智能健康監(jiān)控一體機設備進行控制，來自很多家庭的實時監(jiān)控人體生理數(shù)據可以通過智能手機和傳輸網絡發(fā)送到遠程監(jiān)護數(shù)據服務中心。醫(yī)療監(jiān)控中心的醫(yī)護人員或用戶可以通過登錄服務器，隨時隨地了解體重、血壓和心率的變化曲線；如果發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控人員出現(xiàn)異常，可采取搶救措施。被監(jiān)護者的親屬等也可以登錄監(jiān)護服務器隨時了解被監(jiān)護者的健康狀況。

依據該健康監(jiān)控系統(tǒng)的組成，在本論文的以下各部分分別對智能家庭健康監(jiān)控設備設計與實現(xiàn)、Android客戶端軟件的設計與實現(xiàn)、Android客戶端與服務器端無線數(shù)據通信和 Web服務器端的智能健康信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)來進行論述。

2 智能家庭健康監(jiān)控設備設計與實現(xiàn)

為了制作智能家庭健康監(jiān)控設備，首先利用Protel99se軟件來設計該設備的電路板的電路原理圖。在Protel99se上畫電路原理圖之前，要先畫出設備的SCH （Schematic：SCH）元件庫和PCB（Printed Circuit Board：PCB）元件庫。當元件庫都畫好之后就可以開始畫電路原理圖。 將畫好的原理圖轉化成PCB電路圖，然后進行布局、走線和鋪銅。圖2是布局后的PCB圖，圖3是走線后的PCB圖。

圖1 基于智能家庭健康監(jiān)控設備的多用戶多家庭遠程醫(yī)療服務系統(tǒng)

圖2 布局后的PCB圖

圖3 PCB電路圖布局后進行走線

智能家庭健康監(jiān)控設備采用雙層制板制作，板的兩面都有線路。在布線的時候線的寬度要盡量寬，避免在蝕刻板的時候線路斷開。走線要盡量簡單，便于后期調試。板的正面焊接體積較大的元器件，如氣壓傳感器，溫度傳感器和繼電器等。板的背面主要焊接一些小型的器件，如電阻，電容和三極管等。

PCB電路圖畫好之后，就可以將電路圖打印到硫酸紙上。PCB電路圖打印出來后的樣式如圖4和圖5所示。將打印出的電路圖緊貼在未曝光的銅板上并用透明玻璃蓋緊。接下來就可以進行曝光，在曝光機或者強光下照射90 s左右即可。硫酸紙上的黑色線路會阻礙光線照射到電路板上，從而有線路的地方不會被氧化。曝光好之后，就可以進行顯影。往槽里加入適量的水和顯影劑，比例是1∶2，并進行加熱。將曝光好的電路板用夾子夾緊放入槽里，每隔30 s左右輕搖下電路板，直至線路清晰顯現(xiàn)后拿出，并放在清水里輕輕過一下水，再放到通風的地方晾干后就可以蝕刻。在蝕刻槽里將蝕刻劑用水溶解后加熱，將板放入蝕刻槽中。在蝕刻的過程中每隔30 s可輕搖一下板子，并觀察板的蝕刻情況，直至板上的線路周圍的銅變沒了，蝕刻過程就完成了。

圖4 雙層電路板的正面

圖5 雙層電路板的背面

把做好的電路板用打孔機進行打孔，打好孔后把相應的器件裝上去，并用電烙鐵焊接。在焊接大尺寸的器件，如繼電器、AD模塊和稱重傳感器時，可以盡可能的將孔打大一些。當模塊剛好放進去的時候就可以在另一面用錫把孔填充掉。在焊接小器件，如貼片電阻、貼片電容和貼片三極管時，由于其體積小不宜焊接，所以可先在板上的貼片處的一端先涂點錫，然后用尖頭鑷子把貼片器件夾到有錫的那端對好，再用焊烙鐵焊一下即可。圖6為焊接后的智能家庭健康監(jiān)控設備電路板的正反面及整機示意圖。在圖6中，1為底座，2為稱重臺，3為直桿，4為套桿，5為控制板，6為線纜，7為腕帶，8為滑桿，9為橫桿，10為超聲波傳感器探頭。

圖6 焊接后的健康監(jiān)控設備電路板的正反面及整機示意圖

3 Android客戶端軟件的設計與實現(xiàn)

運行Android客戶端軟件時，需要進行登錄。登錄成功后，智能手機就可以打開藍牙，所搜藍牙與健康監(jiān)控設備上的藍牙模塊進行配對，并建立藍牙Socket連接。在健康監(jiān)控設備中，設備與手機之間的藍牙通信實現(xiàn)代碼如圖7所示。 設備所具有的藍牙模塊為HC-06串口藍牙模塊，它有VCC/GND/RXD/TXD4個引腳，該藍牙模塊支持設備與Android手機之間的無線數(shù)據通信。 藍牙模塊將健康監(jiān)控設備的TTL信號轉換成藍牙2.0協(xié)議的網絡傳輸?shù)陌?，支持全雙工傳輸數(shù)據使用，此模塊默認波特率為9600，不需要軟件或者硬件流控制，一個開始位，無校驗位，設置完成后是從模式。Android手機可主動搜索此設備，與其配對，配對成功后，手機和設備間就可以進行數(shù)據交換。

圖7 智能家庭健康監(jiān)控設備中實現(xiàn)設備與手機藍牙通信的代碼

Android智能手機客戶端軟件主要包括登錄界面、用戶操作界面和功能操作界面三個模塊。登錄界面和用戶操作界面如圖8所示，它含有數(shù)據測量、歷史數(shù)據和曲線圖等功能模塊。血壓心率測量和身高體重測量功能操作界面如圖9所示。所測量的體重、血壓、心率、身高和溫度可被及時上傳給遠程醫(yī)療數(shù)據服務中心的服務器。

圖8 Android客戶端登錄與用戶操作界面

圖9 測量血壓心率和測量體重身高的功能操作界面

4 Android客戶端與服務器端無線數(shù)據通信

智能手機與數(shù)據服務中心Web服務器之間的數(shù)據通信可以通過WiFi或3G/4G無線通信方式來實現(xiàn)。Android客戶端通過使用異步網絡數(shù)據傳輸框架AsyncHttpClient來實現(xiàn)手機與Web服務器之間的數(shù)據傳輸。手機客戶端將要傳輸?shù)臄?shù)據用GSon打好包之后就可以發(fā)給Web服務器。圖10為手機客戶端將數(shù)據打包傳輸給服務器的主要代碼。

圖10 智能手機客戶端將數(shù)據打包傳輸給服務器的主要代碼

5 Web服務器端的智能健康信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

遠程醫(yī)療數(shù)據服務中心的Web服務器開發(fā)是利用Java EE技術來實現(xiàn)的。 Web服務器主要功能模塊包括用戶登錄、數(shù)據查詢和用戶信息修改。用戶登錄界面如圖11所示，含有用戶登錄和用戶注冊。數(shù)據查詢界面如圖12和圖13所示。圖12為使用圖表顯示出來的身體健康相關歷史數(shù)據。圖13為使用折線圖顯示出來的身體健康相關歷史數(shù)據。

圖11 智能健康信息系統(tǒng)Web服務器登錄界面

圖12 使用圖表顯示出來的某時間段健康相關歷史數(shù)據

圖13 使用折線圖顯示出來的某時間段健康相關歷史數(shù)據

6 結論

隨著中國逐步進入老齡化社會，心血管等疾病的預防監(jiān)測越來越重要。心血管等疾病跟體重、血壓和心率有很大的關聯(lián)，實時監(jiān)測這三種數(shù)據變化對預防心血管病具有重要的意義。設計開發(fā)的基于單片機的智能家庭健康監(jiān)控設備可準確方便地測量出身高、體重、血壓和心率，并能對這些數(shù)據進行遠程服務器存儲和分析。該設備的用戶，通過使用手機APP或PC瀏覽器就能隨時隨地查看健康相關的歷史數(shù)據，并能獲取相關疾病預防及治療建議。

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