基于Android的脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜 娜，張 雷

(1.華東師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院地理系，上海 200241;2.江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心光電信息中心，江蘇 無錫 214100)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們?cè)絹碓街匾曌陨斫】祮栴}。在各項(xiàng)人體生理參數(shù)中，血氧飽和度(Oxygen Saturation，SO2)是重要的參數(shù)之一。過低的血氧飽和度在人體組織中將造成不可逆的缺氧性損傷［1-4］。脈搏血氧儀因其能夠?qū)崿F(xiàn)無創(chuàng)和實(shí)時(shí)連續(xù)地對(duì)該參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)［5］，在臨床上得到了廣泛應(yīng)用。但是在國內(nèi)民用市場(chǎng)上，由于價(jià)格、精度、無記憶性等問題，脈搏血氧儀并沒有得到推廣。本文據(jù)此設(shè)計(jì)一種便攜式脈搏血氧儀，并基于Android開發(fā)了手機(jī)客戶端軟件，以圖形化界面顯示各項(xiàng)參數(shù)并記錄到SD卡上，方便普通用戶使用，也提高了脈搏血氧儀的實(shí)用性。

1 Android系統(tǒng)簡(jiǎn)介

Android系統(tǒng)的底層建立在Linux系統(tǒng)之上，該平臺(tái)由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件4層組成，它采用一種被稱為軟件疊層的方式進(jìn)行構(gòu)建。這種軟件疊層結(jié)構(gòu)使得層與層之間相互分離，明確各層的分工。這種分工保證了層與層之間的低耦合，當(dāng)下層的層內(nèi)或?qū)酉掳l(fā)生改變時(shí)，上層應(yīng)用程序無須任何改變［6］。

本文利用Android在應(yīng)用程序?qū)訉?shí)現(xiàn)客戶端的開發(fā)。Android從2.0版本開始支持藍(lán)牙，有關(guān)藍(lán)牙的類和接口都位于android.bluetooth包中，具體功能如表 1［7］所示。

表1 藍(lán)牙主要功能包

通過使用上述的藍(lán)牙工具包可以在Android平臺(tái)上開發(fā)相應(yīng)的藍(lán)牙通信程序，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備和Android客戶端2部分組成。其中前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過藍(lán)牙通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給Android客戶端，客戶端程序接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、繪圖、存儲(chǔ)，并把分析結(jié)果圖形化顯示。圖1是系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

3 前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備

前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(脈搏血氧儀)由基于單片機(jī)的脈搏血氧儀來檢測(cè)人體脈搏、SPO2、IR、溫度值、高度值、警告位等幾項(xiàng)參數(shù)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理為:使用動(dòng)態(tài)光譜的檢測(cè)算法、模數(shù)結(jié)合的采集控制系統(tǒng)來設(shè)計(jì)脈搏血氧儀，前端使用模擬系統(tǒng)采集信號(hào)，對(duì)信號(hào)做前期濾波放大預(yù)處理，經(jīng)過高精度AD轉(zhuǎn)換之后，使用數(shù)字濾波對(duì)信號(hào)作進(jìn)一步處理，然后運(yùn)用動(dòng)態(tài)光譜的檢測(cè)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)算法相對(duì)簡(jiǎn)單，精度高，具有抑制或克服個(gè)體差異和測(cè)量條件對(duì)檢測(cè)光譜影響的優(yōu)點(diǎn)。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)圖

在單片機(jī)控制下，紅光LED、紅外LED以一定的頻率打開和關(guān)閉，分別檢測(cè)出發(fā)射紅光、紅外和無光情況下的光強(qiáng)。然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)為電壓值，該光電轉(zhuǎn)換電路要求抗噪聲性能強(qiáng)。轉(zhuǎn)換后的電壓經(jīng)過放大濾波以及高精度AD后進(jìn)入單片機(jī)處理，經(jīng)過單片機(jī)處理、計(jì)算，將血氧飽和度和脈搏數(shù)在液晶中顯示出來。加速度傳感器用于檢測(cè)人體是否有摔傷狀況，藍(lán)牙模塊用于與客戶端通信。

4 Android客戶端軟件設(shè)計(jì)

Android客戶端軟件在此系統(tǒng)中接收來自前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的各項(xiàng)生理參數(shù)，并對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)的解析分析，以可視化界面展示脈搏、SPO2、IR、溫度值、高度值等實(shí)時(shí)參數(shù)給用戶。軟件的操作流程如圖3所示。

圖3 軟件操作流程圖

4.1 藍(lán)牙通信模塊

在本系統(tǒng)的通信過程中，脈搏血氧儀作為藍(lán)牙通信的服務(wù)器端，開啟后自動(dòng)監(jiān)聽連接請(qǐng)求，Android設(shè)備作為藍(lán)牙通信的客戶端主動(dòng)連接SPP協(xié)議設(shè)備。具體實(shí)現(xiàn)如下［8-11］:

(1)通過在 AndroidManifest.xml添加:

以獲得BLUETOOTH使用許可。

(2)通過BluetoothAdapter核心類對(duì)本機(jī)藍(lán)牙模塊做基本配置，由startDiscovery()方法搜索藍(lán)牙設(shè)備。在BroadcastReceiver的onReceive()里取得搜索所得的藍(lán)牙設(shè)備信息。

(3)在用戶手動(dòng)選擇脈搏血氧儀的MAC地址后，對(duì)所選設(shè)備建立一個(gè)BluetoothDevice對(duì)象并由BluetoothDevice衍生出BluetoothSocket，準(zhǔn)備SOCKET來讀寫設(shè)備。

(4)通過 BluetoothSocket的 createRfcommSocket-ToServiceRecord()方法來選擇連接的協(xié)議/服務(wù)，這里用的是SPP(UUID:00001101-0000-1000-8000-00805F9B34FB)。從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙客戶端和藍(lán)牙服務(wù)器端互聯(lián)。

4.2 數(shù)據(jù)解析驗(yàn)證模塊

客戶端通過 BluetoothSocket.getInputStream().read()函數(shù)接收上位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行解析。接收的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 脈搏血氧儀采集的數(shù)據(jù)圖

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式如圖4所示，每一條記錄以0x0D、0x0A結(jié)尾。在每條數(shù)據(jù)記錄中，數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間以0x20隔開。數(shù)據(jù)中包含:血氧飽和度、脈搏、SPO2、高度、溫度和警告位等數(shù)值。這些數(shù)據(jù)通過驗(yàn)證模塊檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、格式、數(shù)值范圍后，由File.write()函數(shù)寫入 SD 卡中［12-14］。

4.3 生理信息可視化模塊

圖5 生理信息可視化成果圖

數(shù)據(jù)顯示分為3種不同的情況:(1)SPO2的參數(shù)值，因?yàn)槠渲芷谛宰兓詿o法從數(shù)值直接判斷其準(zhǔn)確性，所以這里通過定時(shí)器，每隔1秒時(shí)間從SD卡上讀取最新的200條記錄，將各條記錄中的SPO2數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序存儲(chǔ)成android.graphics.Point的數(shù)組。并由 android.graphics.Canvas.drawLine()方法連接相鄰各點(diǎn)，從而得到動(dòng)態(tài)連續(xù)變化曲線圖。(2)溫度和脈搏等不是經(jīng)常變換的參數(shù)值，每間隔3秒計(jì)算最新20條數(shù)據(jù)的平均值。(3)警告位，由于該數(shù)值是瞬時(shí)產(chǎn)生的，在收到數(shù)據(jù)的時(shí)候，立刻顯示在客戶端界面上。通過warning.setImageResource(R.drawable.red)語句設(shè)置其不同狀態(tài)下的顏色。生理信息可視化成果圖如圖5所示。

通過圖5用戶就可以方便快捷地了解自身的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)自身的健康隱患。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶實(shí)時(shí)觀察自己的健康狀況的目標(biāo)。通過本系統(tǒng)普通用戶可以隨時(shí)隨地了解自身的健康狀況，尤其對(duì)心臟病等患者具有相當(dāng)重要的提醒功能。將來，隨著智能醫(yī)療的不斷發(fā)展，這些數(shù)據(jù)不只是存儲(chǔ)在手機(jī)的SD卡上，還能將異常數(shù)據(jù)通過手機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)结t(yī)院的信息平臺(tái)上，讓醫(yī)生實(shí)時(shí)知道用戶的身體狀況，這是進(jìn)一步的研究?jī)?nèi)容。

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