基于A(yíng)ndroid和WIFI的無(wú)線(xiàn)體征信息監測系統

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摘要：介紹一款采用無(wú)線(xiàn)WIFI傳輸的便攜式體征信息監測系統。該系統利用STC89S52單片機及DS18B20溫度傳感器、HK2000B型壓電式脈搏傳感器等模塊采集生理體征信息，通過(guò)HLK—WIFIM03進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，結合用戶(hù)Android設備終端進(jìn)行數據顯示及反饋。采用人機友好交互界面進(jìn)行體征信息管理，可實(shí)現遠程體征信息監測、分析、警報等功能，具有低功耗、使用方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，應用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：體征參數；WIFI；Android；監測系統
隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，人們開(kāi)始越發(fā)地關(guān)注自身和家人的健康保健問(wèn)題，然而目前市場(chǎng)上已有的針對個(gè)別生命體征的監測儀器，由于其普遍操作繁瑣，專(zhuān)業(yè)性過(guò)強，信息顯示單一及針對性不強等特點(diǎn)，始終無(wú)法在市場(chǎng)中得到推廣。在此介紹一款基于智能系統，簡(jiǎn)約便利，具有低功耗、使用方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)的生命體征監測系統。
此款監測系統在集成實(shí)時(shí)監測體溫脈搏等多項生命體征的同時(shí)，結合當下快速普及的Android智能系統，將最大化減少使用者的操作過(guò)程。用戶(hù)僅需通過(guò)簡(jiǎn)單設置便可通過(guò)智能軟件在隨身設備上直觀(guān)地實(shí)現對多項生命體征信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)，抑或間隔性監測，又可針對設定值對超標體征進(jìn)行報警。同時(shí)，智能終端軟件還可針對數據進(jìn)行優(yōu)化整理，建立個(gè)人體征信息數據庫，針對個(gè)體情況作出分析，對個(gè)人健康提出合理化建議。
1 總體結構與工作原理
系統基于安全、可靠，使用方便、經(jīng)濟等原則，采用模塊化設計思想。采集部分基于STC89S52單片機為核心，運用溫度傳感器DS18B2 0、HK2000B型壓電式脈搏傳感器等模塊采集生理體征信息，經(jīng)過(guò)濾波放大，數字化處理后由HLKWIFIM03模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸至服務(wù)器，而后推送至用戶(hù)終端進(jìn)行顯示。系統總體原理框圖如圖1所示。


2 系統設計
2．1 硬件電路設計
2．1．1 脈搏檢測模塊設計
心室周期性的收縮和舒張導致主動(dòng)脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動(dòng)脈根部開(kāi)始沿著(zhù)整個(gè)動(dòng)脈系統傳播，這種波稱(chēng)為脈搏波。脈搏波所呈現出的形態(tài)、強度、速率和節律等方面的綜合信息，很大程度上反映出入體心血管系統中許多生理病理的血流特征。
考慮到產(chǎn)品價(jià)格和所需精度的要求，本模塊選擇了合肥華科電子技術(shù)研究所研制開(kāi)發(fā)的基于聚偏氟乙烯壓電膜的HK-2000B型集成化脈搏傳感器，它采用高度集成化工藝將力敏元件(PVDF壓電膜)、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內。壓電式原理采集信號，模擬信號輸出，輸出完整的脈搏波電壓信號，該產(chǎn)品主要應用于無(wú)創(chuàng )心血管功能檢測、妊高征檢測、中醫脈象診斷等。脈搏采集部分主要構成如圖2所示。

脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0．1～0．6V，為消除負號，滿(mǎn)足后級單端輸入A／D轉換器的需要，設計了電壓抬升電路如圖3所示。

經(jīng)傳感器輸出的脈搏信號頻率很低，極容易引入干擾，這些干擾有來(lái)自50 Hz的工頻干擾，有來(lái)自肌體抖動(dòng)、精神緊張帶來(lái)的假象信號等。由于人的脈搏頻率在0．1～70 Hz之間，為了不把有效的信號過(guò)濾掉，將低通濾波器的截止頻率設為100 Hz，濾除系統的干擾，包括電壓抬升引入的干擾以及工頻干擾等，并把信號傳輸到A／D轉換器中為下一步的模數轉換做準備。
MAX187是12位逐次逼近式串行A／D轉換芯片，轉換速度快，耗電量少。與單片機連接時(shí)采用3線(xiàn)接口的數據串行方式，MAX187與STC89S52單片機的接口電路如圖4所示。

STC89S52的P3．0、P3．1、P3．2腳分別與MAX187的SCLK、CS、DOUT端連接，通過(guò)控制MAX187的串口時(shí)序，完成A／D連續轉換的讀寫(xiě)操作。電源需要進(jìn)行去耦合處理，典型接法是用一個(gè)4．7μF電容和一個(gè)0．1μF電容并聯(lián)。當使用內部4．096 V參考電壓方式時(shí)，4腳接一個(gè)4．7μF的退耦電容。此時(shí)輸入模擬信號的電壓范圍為0～4．096 V，如果模擬輸入電壓不在這個(gè)范圍要外加電路進(jìn)行電壓范圍的變換。
2．1．2 體溫檢測模塊設計
體溫模塊選用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線(xiàn)式數字溫度傳感器DS18B20，它體積小，便于貼身式檢測，輸出為數字量，使用方便。測量溫度范圍為-55～+125℃�？捎贸绦蛟O定為9～12位的分辨率。當分辨率設置為12位時(shí)，轉換精度為±0．062 5℃。與單片機的連接電路如圖5所示。

DS18B20的內部存儲器分為兩部分，一部分是包含8個(gè)連續字節的高速暫存RAM。溫度信息存放在前2個(gè)字節，其中溫度的低八位存放在第1個(gè)字節，高八位存放在第2個(gè)字節。TH、TL的易失性拷貝分別存放在第3、4個(gè)字節，結構寄存器的易失性拷貝存放在第5個(gè)字節，這3個(gè)字節的內容在每一次上電復位時(shí)都會(huì )被刷新。第6、7、8個(gè)字節用于內部計算。第9個(gè)字節是冗余檢驗字節。另一部分是存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL以及結構寄存器的非易失性的、電可擦除的E2ROM。DS18B20可以通過(guò)程序設置最高和最低報警溫度TH和耵TL，實(shí)現對溫度的越線(xiàn)報警控制。
每次對DS18B20進(jìn)行讀寫(xiě)之操作前都要先進(jìn)行復位(即初始化)，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后再發(fā)送RAM指令。
2．1．3 WIFI無(wú)線(xiàn)傳輸模塊
無(wú)線(xiàn)傳輸模塊部分我們采用的是海凌科(香港)有限公司推出的全新的第3代嵌人式Uart—Wifi模塊HLK—WIFI—M03(圖6所示)。Uart—Wifi是基于Uart接口的符合wifi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準的嵌入式模塊，內置無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議IEEE802．11協(xié)議棧以及TCP／IP協(xié)議棧，能夠實(shí)現用戶(hù)串口數據到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間的轉換。

5針：VDD接3．3V電源；8針：GND接地；6針：RXD接單片機TXD；7針：TXD接單片機RXD
首先，將WiFi模塊設置為透明傳輸模式，加入AP所在的局域網(wǎng)并與網(wǎng)內服務(wù)器建立socket連接，此時(shí)socket可以看作通信雙方的“虛擬導線(xiàn)”。采集的體征信息可直接通過(guò)此“虛擬導線(xiàn)”透傳至服務(wù)器。在服務(wù)器建立的軟件可以對數據進(jìn)行整合與分析，若出現越限情況，則服務(wù)器立即通過(guò)Internet將報警信號及用戶(hù)體征信息發(fā)送至用戶(hù)家人的手機或其他移動(dòng)設備，同時(shí)可以將報警信息發(fā)送至醫院，以便對病人進(jìn)行急救。
2．2 軟件設計
系統在用戶(hù)終端上我們選用Android智能系統作為應用平臺。Android是由谷歌(Google)和開(kāi)放手機聯(lián)盟(OpenHandset Alliance)支持的一個(gè)手機軟件開(kāi)發(fā)平臺，支持多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接方式，如GPRS、WiFi、藍牙等。通過(guò)這些方式，Android手機可以方便地通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信，訪(fǎng)問(wèn)Internet和各種網(wǎng)絡(luò )上的服務(wù)器。同時(shí)Android框架提供了對HTTP等通訊協(xié)議的支持。
Android應用程序是以許多Android API組件為基礎進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，下面是幾種主要的API組件：當前活動(dòng)程序Activity是最常用的應用程序組件，可以把Activity簡(jiǎn)單的理解成一個(gè)用戶(hù)所看到的屏幕，稱(chēng)之為“活動(dòng)”。它主要用于處理程序的整體性工作，通過(guò)調用onCreate()、onStart()、onRestart()、onResume()、onStop()、onDestory()等方法來(lái)實(shí)現運行、暫停、停止等狀態(tài)。例如監聽(tīng)按鍵、觸摸屏等事件，指定圖像顯示View，啟動(dòng)其他Activitv。Android用Intent類(lèi)實(shí)現啟動(dòng)其他Activily，它調用startActivity(myIntent)方法觸發(fā)解析myIntent動(dòng)作，新的Activity接收到myIntent通知后，開(kāi)始運行，例如通過(guò)Activity的切換實(shí)現顯示布局的切換。ContentProvider類(lèi)是一個(gè)特殊的存儲數據的類(lèi)型，它實(shí)現了數據的存儲與共享。Service是運行在后臺的應用程序組件，不直接與用戶(hù)交互。當前活動(dòng)程序可以使用Context．
StartService()開(kāi)啟一項后臺服務(wù)，還可以通過(guò)Context．bindService()與后臺服務(wù)通信。在A(yíng)ndroid的Java程序中，實(shí)現人機交互的控件是通過(guò)事件處理的，需要指定控件所用的事件監聽(tīng)器。事件響應部分代碼如下：



3 系統調試
首先對WIFI模塊進(jìn)行參數配置，使其工作于透明傳輸模式，隨時(shí)進(jìn)行數據的傳輸。通過(guò)單片機對串口的寫(xiě)操作命令將數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸在手機界面上顯示出來(lái)。
然后對脈搏進(jìn)行校準，將系統測得的人體脈搏數據與標準脈搏計測得的數據進(jìn)行比較，結果表明兩者誤差在±5 Hz。
最后進(jìn)行體溫的測試，通過(guò)對軟件、硬件的調試。在顯示界面得到一個(gè)溫度數據，然后和標準體溫計測得的數據進(jìn)行比較，結果表明兩者差異在±0.1℃。設定體溫高低閾值分別為38℃、35℃，當給定的測試溫度為小于35℃或大于38℃時(shí)，用戶(hù)手機會(huì )自動(dòng)彈出報警提示界面。
體溫采集顯示如圖6所示，橫軸為軟件運行時(shí)間，縱軸為體溫值。

心率采集顯示如圖7所示，根據時(shí)間進(jìn)行記錄并上傳至服務(wù)器。


4 結束語(yǔ)
此款監測系統在集成實(shí)時(shí)監測體溫、心率等多項生命體征的同時(shí)，結合當下快速普及的手機智能系統，將采樣的體征信息通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò )傳輸至信號處理中心，由信號處理中心對采樣信息進(jìn)行編譯和處理，形成一定的波形、數據結果，再由網(wǎng)絡(luò )傳輸到其接收端，結合用戶(hù)Andr oid設備終端進(jìn)行數據顯示及反饋。采用人機友好交互界面進(jìn)行體征信息管理，可實(shí)現遠程體征信息監測、分析、警報等功能，具有低功耗、使用方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，應用前景廣闊。