王 宇

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009)

物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 宇

(山西工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030009)

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種具有手機(jī)監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的新型可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。采用ATmega16作為系統(tǒng)主控芯片，結(jié)合脈搏采集電路、體溫采集電路、藍(lán)牙通信電路和電源電路搭建硬件系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)人體體征參數(shù)脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綄Ｓ玫腁ndroid APP上顯示、記錄和分析，如果體征參數(shù)超出正常范圍將通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)護(hù)人發(fā)送報(bào)警短信。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果證明，該系統(tǒng)脈搏測(cè)量誤差在2BPM以內(nèi)，體溫測(cè)量誤差在0.1度以內(nèi)，報(bào)警精準(zhǔn)度達(dá)97%，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

ATmega16；人體體征參數(shù)監(jiān)測(cè)；Android APP；藍(lán)牙通信；GSM網(wǎng)絡(luò)

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，對(duì)自身的健康狀況越來(lái)越關(guān)注，環(huán)境溫度與濕度通常是衡量存儲(chǔ)環(huán)境一個(gè)重要參數(shù)[1,2]，體溫、脈搏也是反應(yīng)人體健康的重要參數(shù)。因此，本文基于物聯(lián)網(wǎng)Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了一款低成本、高效能、可穿戴，可以對(duì)人體健康相關(guān)的體征參數(shù)—脈搏和體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)及報(bào)警的醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)利用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)將可穿戴設(shè)備采集到的人體體征參數(shù)傳輸?shù)綄Ｓ玫腁ndroid APP上顯示處理，實(shí)現(xiàn)人體健康體征參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)人們的健康監(jiān)護(hù)具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由體征參數(shù)采集下位機(jī)和Android APP數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。體征參數(shù)采集下位機(jī)以ATmega16為控制核心，由脈搏采集電路、體溫采集電路和電源管理電路和藍(lán)牙模塊組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)軟件采用Android SDK+Java JDK7+Eclipse 6.0編寫(xiě)Android APP。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體電路圖概述

總體電路圖如圖2所示，本系統(tǒng)采用性能適中的ATmega16單片機(jī)，該MCU穩(wěn)定性好，常用于工業(yè)和醫(yī)療電子設(shè)備中，足夠?qū)崿F(xiàn)可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)功能。脈搏傳感器和體溫傳感器的輸出引腳接入PCF8591T AD轉(zhuǎn)換芯片模擬輸入口，把傳感器的模擬信號(hào)通過(guò)IIC接口(PB0、PB1)接入ATmega16單片機(jī)中，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后計(jì)算出相應(yīng)的脈搏數(shù)據(jù)和體溫?cái)?shù)據(jù)。HC-05藍(lán)牙模塊采用透明傳輸方式，即Android APP通過(guò)藍(lán)牙通道傳送的數(shù)據(jù)都會(huì)由UART轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)，反之單片機(jī)只要通過(guò)UART向藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)便可以將數(shù)據(jù)傳送到Android APP中?？纱┐麽t(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)中未使用到的IO口全部通過(guò)排針引出，作為預(yù)留硬件接口，以供后續(xù)添加其他人體特征采集傳感器使用。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)總體電路圖

2.2 脈搏測(cè)量

脈搏檢測(cè)采用光電反射式模擬傳感器PulseSensor，其測(cè)量方法是光電容積法，基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率的不同。該傳感器由光源和光電接收器兩部分組成。當(dāng)光源的波長(zhǎng)為λ，光強(qiáng)為I0，根據(jù)Lambert-Beer定律，照射于指端時(shí)的透射光強(qiáng)I可表示為：

I=I0e-ε0C0L0e-εHbO2CHbO2Le-εRHbCRHbL

.(1)

其中，指端組織被分為三種成分：動(dòng)脈血液中的氧合血紅蛋白、還原血紅蛋白以及皮膚、肌肉、靜脈血等組織，三者等效濃度為CHbO2、CRHb、C0，三者吸光系數(shù)εHbO2、εRHb、ε0，固定波長(zhǎng)的光源吸收系數(shù)為ε，L0為皮膚、肌肉等組織的光程，L為動(dòng)脈血液光程。其中L0、C0及ε為固定值，而血氧濃度的變化會(huì)引起CHbO2、CRHb的變化，因此隨著血氧容積的改變L成脈動(dòng)性變化[4]。確定血氧濃度的重點(diǎn)就是用兩個(gè)方程計(jì)算出CHbO2、CRHb，故PulseSensor的光源需要兩個(gè)不同波長(zhǎng)的發(fā)光管，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及成本因素，選用SMC810和SMC660LED作為光源。

光電接收器選用環(huán)境光感受器APDS-9008，具有可靠性好、高靈敏度、雜散電容低等優(yōu)點(diǎn)。光電變換器接收經(jīng)人體組織反射的光線，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其放大和輸出。脈搏是隨心臟的搏動(dòng)而周期性變化的信號(hào)，動(dòng)脈血管容積也周期性變化，因此光電接收器的電信號(hào)變化周期就是脈搏率。采用PCF8591T AD轉(zhuǎn)換芯片將采集的脈搏數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后通過(guò)IIC協(xié)議發(fā)送給ATmega16單片機(jī)接收處理。

2.3 體溫測(cè)量

基于對(duì)成本、尺寸的考慮，該監(jiān)控系統(tǒng)體溫傳感器采用的是深圳Med-Linket公司的醫(yī)用傳感器YSI-400系列，具有精度高，反應(yīng)快的特性[5,6]。37攝氏度時(shí)的阻值誤差范圍僅僅為50 Ω，阻值精度高達(dá)0.16%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般1%的熱敏電阻。這保證了該熱敏電阻在人體體溫測(cè)溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。傳感器熱敏電阻阻值在1.5 k左右，利用電阻分壓原理將熱敏電阻與一個(gè)精確電阻R1串聯(lián)，就能把熱敏電阻的電阻值變化轉(zhuǎn)換為電壓值變化。然后PCF8591T AD轉(zhuǎn)換芯片采集回來(lái)連續(xù)電壓變化信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)再通過(guò)IIC協(xié)議發(fā)送給ATmega16單片機(jī)接收處理轉(zhuǎn)換為體溫?cái)?shù)據(jù)使用。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為下位機(jī)單片機(jī)軟件和上位機(jī)AndroidAPP軟件兩部分。

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)人體體征參數(shù)脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)的采集和傳輸，其流程圖如圖3所示，系統(tǒng)運(yùn)行開(kāi)始，數(shù)據(jù)采集主控板上電后，首先進(jìn)行UART和PCF8591T AD的初始化，UART初始化主要用于與HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，PCF8591T AD初始化主要用于將ATmega16的IIC引腳起始電平狀態(tài)按IIC通信協(xié)議設(shè)置。

圖3 單片機(jī)軟件流程圖

3.2 AndroidAPP軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)上位機(jī)AndroidAPP軟件采用Android SDK+Java JDK7+Eclipse 6.0編寫(xiě)[7]，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收顯示以及判斷處理。首先初始化主界面UI的控件，將Android JAVA功能文件中定義的控件與XLM界面文件中的控件連接在一起，之后需要設(shè)置報(bào)警單選框和功能按鈕的監(jiān)聽(tīng)，即定義當(dāng)這些功能控件被點(diǎn)擊之后的響應(yīng)函數(shù)。用戶通過(guò)APP連接上單片機(jī)主控板藍(lán)牙后，系統(tǒng)按照每秒一次的頻率自動(dòng)獲取脈搏體溫?cái)?shù)據(jù)。Android APP接收完一次脈搏和溫度數(shù)據(jù)之后結(jié)合當(dāng)前日期時(shí)間信息保存在手機(jī)里并實(shí)時(shí)顯示。

同時(shí)AndroidAPP開(kāi)始對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果連續(xù)時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到數(shù)據(jù)均超過(guò)用戶設(shè)定的范圍并且報(bào)警使能單選框被選中便會(huì)文本提示，響鈴報(bào)警并獲取報(bào)警電話編輯框的監(jiān)護(hù)人電話發(fā)送短信通知監(jiān)護(hù)人。Android APP軟件界面如圖4所示。

圖4 Android APP軟件界面

Android APP通過(guò)Handler監(jiān)聽(tīng)藍(lán)牙信道的變化，如果監(jiān)聽(tīng)到MESSAGE_READ信號(hào)，表示有數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)，此時(shí)需要取出全部數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分割處理，將實(shí)時(shí)溫度和時(shí)間信息保存，當(dāng)用戶選中界面上的允許報(bào)警的單選框后，APP分析出用戶體溫連續(xù)時(shí)間內(nèi)不在之前設(shè)置的正常范圍內(nèi)，便進(jìn)入報(bào)警處理，并向監(jiān)護(hù)人報(bào)警電話編輯框中的報(bào)警電話進(jìn)行報(bào)警短信發(fā)送，通知監(jiān)護(hù)人用戶體溫異常。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)采集的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確行及可靠性在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，隨機(jī)挑選5人分別用本設(shè)計(jì)與市場(chǎng)上成熟的脈搏測(cè)試儀力康PC60NW和醫(yī)用體溫計(jì)對(duì)脈搏和體溫進(jìn)行測(cè)量。

結(jié)果如表1所示，經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)論，可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量的脈搏和體溫?cái)?shù)據(jù)與成熟產(chǎn)品測(cè)量的數(shù)據(jù)偏差很小，脈搏數(shù)據(jù)的測(cè)量誤差在2BPM以內(nèi)，體溫?cái)?shù)據(jù)的測(cè)量誤差在0.1度以內(nèi)，報(bào)警精準(zhǔn)度達(dá)97%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表1 測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

本文研究的基于物聯(lián)網(wǎng)的可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)可應(yīng)用醫(yī)療、民用或者老人院等場(chǎng)合的高性能數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)創(chuàng)新型可穿戴作品，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的Android APP實(shí)現(xiàn)脈搏和體溫實(shí)時(shí)采集、藍(lán)牙無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)分析報(bào)警、設(shè)置范圍等功能，具有檢測(cè)精度高、可穿戴、易于后續(xù)擴(kuò)展，有很強(qiáng)的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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[7] James Talbot，Justin McLean. Learning Android Application Programming[M].United States of America，2012.

Design and Realization of Wearable Health Monitoring System Based on the Internet of Things Android Platform

Wang Yu

(ShanxiEngineeringVocationalCollege,TaiyuanShanxi030009,China)

Based on the internet of things Android platform, a new wearable medical system with monitoring and alarming functions is designed and implemented. By using ATmega16 microcontroller as the system master chip and combining with pulse collection circuit, temperature acquisition circuit, Bluetooth communication circuit and power circuit, the hardware circuits is built to realize the real time monitoring of pulse and body temperature data. The sign parameter is transported in real-time to private Android APP by Bluetooth communication to be displayed, recorded and analyzed. Alarm messages will be sent to guardian while sign parameters have exceeded normal range by GSM network. The experimental results show that the pulse measurement error is less than 2BPM; temperature measurement error is less than 0.1 degree and the alarm accuracy is up to 97%. The system has great significance in practical application.

ATmega16; human signs parameter monitoring; Android APP; Bluetooth communication; GSM network

2017-04-13

王 宇(1982- )，女，講師，碩士，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、信號(hào)處理。

1674- 4578(2017)03- 0027- 04

TP277

A