基于Android和WIFI的無線體征信息監(jiān)測系統(tǒng)

摘要：介紹一款采用無線WIFI傳輸?shù)谋銛y式體征信息監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用STC89S52單片機(jī)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HLK—WIFIM03進(jìn)行無線傳輸，結(jié)合用戶Android設(shè)備終端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及反饋。采用人機(jī)友好交互界面進(jìn)行體征信息管理，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程體征信息監(jiān)測、分析、警報(bào)等功能，具有低功耗、使用方便、操作簡單等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。
關(guān)鍵詞：體征參數(shù)；WIFI；Android；監(jiān)測系統(tǒng)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們開始越發(fā)地關(guān)注自身和家人的健康保健問題，然而目前市場上已有的針對個(gè)別生命體征的監(jiān)測儀器，由于其普遍操作繁瑣，專業(yè)性過強(qiáng)，信息顯示單一及針對性不強(qiáng)等特點(diǎn)，始終無法在市場中得到推廣。在此介紹一款基于智能系統(tǒng)，簡約便利，具有低功耗、使用方便、操作簡單等特點(diǎn)的生命體征監(jiān)測系統(tǒng)。
此款監(jiān)測系統(tǒng)在集成實(shí)時(shí)監(jiān)測體溫脈搏等多項(xiàng)生命體征的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)下快速普及的Android智能系統(tǒng)，將最大化減少使用者的操作過程。用戶僅需通過簡單設(shè)置便可通過智能軟件在隨身設(shè)備上直觀地實(shí)現(xiàn)對多項(xiàng)生命體征信息的實(shí)時(shí)動態(tài)，抑或間隔性監(jiān)測，又可針對設(shè)定值對超標(biāo)體征進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)，智能終端軟件還可針對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整理，建立個(gè)人體征信息數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)與工作原理
系統(tǒng)基于安全、可靠，使用方便、經(jīng)濟(jì)等原則，采用模塊化設(shè)計(jì)思想。采集部分基于STC89S52單片機(jī)為核心，運(yùn)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)過濾波放大，數(shù)字化處理后由HLKWIFIM03模塊通過無線傳輸至服務(wù)器，而后推送至用戶終端進(jìn)行顯示。系統(tǒng)總體原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路設(shè)計(jì)
2．1．1 脈搏檢測模塊設(shè)計(jì)
心室周期性的收縮和舒張導(dǎo)致主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個(gè)動脈系統(tǒng)傳播，這種波稱為脈搏波。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息，很大程度上反映出入體心血管系統(tǒng)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(bǔ)償元件、感溫元件、信號調(diào)理電路集成在傳感器內(nèi)。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(yīng)用于無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高征檢測、中醫(yī)脈象診斷等。脈搏采集部分主要構(gòu)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(fù)號，滿足后級單端輸入A／D轉(zhuǎn)換器的需要，設(shè)計(jì)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，這些干擾有來自50 Hz的工頻干擾，有來自肌體抖動、精神緊張帶來的假象信號等。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濾掉，將低通濾波器的截止頻率設(shè)為100 Hz，濾除系統(tǒng)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?shù)紸／D轉(zhuǎn)換器中為下一步的模數(shù)轉(zhuǎn)換做準(zhǔn)備。
MAX187是12位逐次逼近式串行A／D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快，耗電量少。與單片機(jī)連接時(shí)采用3線接口的數(shù)據(jù)串行方式，MAX187與STC89S52單片機(jī)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，通過控制MAX187的串口時(shí)序，完成A／D連續(xù)轉(zhuǎn)換的讀寫操作。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(dāng)使用內(nèi)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(shè)計(jì)
體溫模塊選用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它體積小，便于貼身式檢測，輸出為數(shù)字量，使用方便。測量溫度范圍為-55～+125℃?？捎贸绦蛟O(shè)定為9～12位的分辨率。當(dāng)分辨率設(shè)置為12位時(shí)，轉(zhuǎn)換精度為±0．062 5℃。與單片機(jī)的連接電路如圖5所示。

DS18B20的內(nèi)部存儲器分為兩部分，一部分是包含8個(gè)連續(xù)字節(jié)的高速暫存RAM。溫度信息存放在前2個(gè)字節(jié)，其中溫度的低八位存放在第1個(gè)字節(jié)，高八位存放在第2個(gè)字節(jié)。TH、TL的易失性拷貝分別存放在第3、4個(gè)字節(jié)，結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝存放在第5個(gè)字節(jié)，這3個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)都會被刷新。第6、7、8個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算。第9個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。另一部分是存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL以及結(jié)構(gòu)寄存器的非易失性的、電可擦除的E2ROM。DS18B20可以通過程序設(shè)置最高和最低報(bào)警溫度TH和耵TL，實(shí)現(xiàn)對溫度的越線報(bào)警控制。
每次對DS18B20進(jìn)行讀寫之操作前都要先進(jìn)行復(fù)位(即初始化)，復(fù)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無線傳輸模塊
無線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無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802．11協(xié)議棧以及TCP／IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

5針：VDD接3．3V電源；8針：GND接地；6針：RXD接單片機(jī)TXD；7針：TXD接單片機(jī)RXD
首先，將WiFi模塊設(shè)置為透明傳輸模式，加入AP所在的局域網(wǎng)并與網(wǎng)內(nèi)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(dǎo)線”。采集的體征信息可直接通過此“虛擬導(dǎo)線”透傳至服務(wù)器。在服務(wù)器建立的軟件可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與分析，若出現(xiàn)越限情況，則服務(wù)器立即通過Internet將報(bào)警信號及用戶體征信息發(fā)送至用戶家人的手機(jī)或其他移動設(shè)備，同時(shí)可以將報(bào)警信息發(fā)送至醫(yī)院，以便對病人進(jìn)行急救。
2．2 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)在用戶終端上我們選用Android智能系統(tǒng)作為應(yīng)用平臺。Android是由谷歌(Google)和開放手機(jī)聯(lián)盟(OpenHandset Alliance)支持的一個(gè)手機(jī)軟件開發(fā)平臺，支持多種無線網(wǎng)絡(luò)連接方式，如GPRS、WiFi、藍(lán)牙等。通過這些方式，Android手機(jī)可以方便地通過無線網(wǎng)絡(luò)通信，訪問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(yīng)用程序是以許多Android API組件為基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)的，下面是幾種主要的API組件：當(dāng)前活動程序Activity是最常用的應(yīng)用程序組件，可以把Activity簡單的理解成一個(gè)用戶所看到的屏幕，稱之為“活動”。它主要用于處理程序的整體性工作，通過調(diào)用onCreate()、onStart()、onRestart()、onResume()、onStop()、onDestory()等方法來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、暫停、停止等狀態(tài)。例如監(jiān)聽按鍵、觸摸屏等事件，指定圖像顯示View，啟動其他Activitv。Android用Intent類實(shí)現(xiàn)啟動其他Activily，它調(diào)用startActivity(myIntent)方法觸發(fā)解析myIntent動作，新的Activity接收到myIntent通知后，開始運(yùn)行，例如通過Activity的切換實(shí)現(xiàn)顯示布局的切換。ContentProvider類是一個(gè)特殊的存儲數(shù)據(jù)的類型，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲與共享。Service是運(yùn)行在后臺的應(yīng)用程序組件，不直接與用戶交互。當(dāng)前活動程序可以使用Context．
StartService()開啟一項(xiàng)后臺服務(wù)，還可以通過Context．bindService()與后臺服務(wù)通信。在Android的Java程序中，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的控件是通過事件處理的，需要指定控件所用的事件監(jiān)聽器。事件響應(yīng)部分代碼如下：


3 系統(tǒng)調(diào)試
首先對WIFI模塊進(jìn)行參數(shù)配置，使其工作于透明傳輸模式，隨時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。通過單片機(jī)對串口的寫操作命令將數(shù)據(jù)通過無線傳輸在手機(jī)界面上顯示出來。
然后對脈搏進(jìn)行校準(zhǔn)，將系統(tǒng)測得的人體脈搏數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)脈搏計(jì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者誤差在±5 Hz。
最后進(jìn)行體溫的測試，通過對軟件、硬件的調(diào)試。在顯示界面得到一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，然后和標(biāo)準(zhǔn)體溫計(jì)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩者差異在±0.1℃。設(shè)定體溫高低閾值分別為38℃、35℃，當(dāng)給定的測試溫度為小于35℃或大于38℃時(shí)，用戶手機(jī)會自動彈出報(bào)警提示界面。
體溫采集顯示如圖6所示，橫軸為軟件運(yùn)行時(shí)間，縱軸為體溫值。

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

4 結(jié)束語
此款監(jiān)測系統(tǒng)在集成實(shí)時(shí)監(jiān)測體溫、心率等多項(xiàng)生命體征的同時(shí)，結(jié)合當(dāng)下快速普及的手機(jī)智能系統(tǒng)，將采樣的體征信息通過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(shù)據(jù)結(jié)果，再由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)狡浣邮斩?，結(jié)合用戶Andr oid設(shè)備終端進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示及反饋。采用人機(jī)友好交互界面進(jìn)行體征信息管理，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程體征信息監(jiān)測、分析、警報(bào)等功能，具有低功耗、使用方便、操作簡單等特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。