基于Android便攜式人體健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

高明華++許麗金++柯成成++楊根紅

摘 要： 便攜式、小型化是現(xiàn)代醫(yī)療器械的一個重要發(fā)展方向。為了監(jiān)測人體的脈搏、體溫等參數(shù)，實時監(jiān)測人體的健康狀態(tài)，設(shè)計了一款基于Android的便攜式人體健康監(jiān)測系統(tǒng)。通過溫度傳感器和脈搏傳感器實時采集人體的體溫、脈搏等信息，經(jīng)單片機(jī)處理后由藍(lán)牙上傳至手機(jī)APP，手機(jī)端接收數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示并給出合理化建議。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果穩(wěn)定可靠、簡單易用。

關(guān)鍵詞： 智能醫(yī)療； 數(shù)據(jù)采集； 健康監(jiān)測； 手機(jī)APP

中圖分類號： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0086?04

Abstract： Portability and miniaturization of modern medical equipment is an important development direction. A portable health monitoring system Based on Android was designed to monitor the human's pulse， temperature and other parameters， so as to realize real?time monitoring of human health. Real?time acquisition of human's temperature， pulse and other information is implemented with temperature sensor and pulse sensor. The information treated by MCU is uploaded to the mobile phone APP through Bluetooth. The mobile terminal receives， analyzes， processes and displays the data， and then gives out some reasonable suggestions. The experiment results show that the results obtained by the monitoring system are stable， reliable and easy to use.

Keywords： intelligent medical treatment； data acquisition； health monitoring； mobile phone APP

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們對個體生命價值的認(rèn)知不斷提升，人類的健康觀念、方式和途徑都發(fā)生著深刻的變化[1]。人們對健康的關(guān)注度逐步提高，越來越多的人希望依靠及時有效的技術(shù)手段來保障生命的安全。目前國內(nèi)智能醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)展緩慢，且智能醫(yī)療設(shè)備存在質(zhì)量參差不齊、價格昂貴等問題，難以滿足社會對此類產(chǎn)品的迫切需要。因此，設(shè)計一套便攜式、經(jīng)濟(jì)實用、合理可靠且易于普及的便攜式人體健康監(jiān)測系統(tǒng)必將受到社會的歡迎。

人體健康監(jiān)測系統(tǒng)是對人體生命體征進(jìn)行檢測和監(jiān)視的技術(shù)，可實時、連續(xù)、長時間地檢測人們的重要生理特征參數(shù)，并將獲得的數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)APP，進(jìn)行顯示和保存。用戶可以通過文本形式或者折線圖顯示查看歷史測量數(shù)據(jù)，以供用戶進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備對于被監(jiān)測人，一般由專業(yè)人員定期測量體溫、脈搏等生理參數(shù)，這種方式浪費了大量的時間和精力，降低了工作效率和服務(wù)質(zhì)量；而且在檢測過程中需要被監(jiān)測人處于自然狀態(tài)，被監(jiān)測人稍有心情緊張，感到不自然，就會導(dǎo)致檢測到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。以上監(jiān)測方式有明顯的不足，因此本文希望以一種低成本、高可靠性的便攜式人體健康監(jiān)測系統(tǒng)來替代傳統(tǒng)方法。針對當(dāng)前社會的需求，從經(jīng)濟(jì)實用的角度出發(fā)，設(shè)計了一種便攜經(jīng)濟(jì)的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對人體體溫、脈搏等信息的采集。同時，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)和手機(jī)APP完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和分析，APP將監(jiān)控終端采集到的歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無紙化記錄。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文綜合運用單片機(jī)技術(shù)[2]、HC?05嵌入式藍(lán)牙通信技術(shù)和智能手機(jī)APP技術(shù)，設(shè)計了基于Android便攜式人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，人體健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由健康監(jiān)測終端和智能手機(jī)APP兩部分組成。監(jiān)測終端通過溫度傳感器和脈搏傳感器采集人體體溫、脈搏等信號，經(jīng)單片機(jī)處理后，在LCD顯示屏上實時顯示；藍(lán)牙發(fā)送模塊將監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)送至手機(jī)；手機(jī)APP接收數(shù)據(jù)并保存，手機(jī)APP界面通過文字和折線圖的方式來顯示數(shù)據(jù)，同時APP將對當(dāng)前的測量指標(biāo)給出評價，并提供健康建議。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件由主控模塊、采集模塊、顯示模塊和通信模塊四部分組成。主控模塊采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片；采集模塊分為體溫采集和脈搏采集模塊，體溫采集模塊采用NTC熱敏電阻采集溫度信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后交由單片機(jī)處理[3]。脈搏采集模塊采用基于SON3130心率IC設(shè)計的SON1205脈搏傳感模塊，其輸出信號類型為0～3 V的方波；顯示模塊為1602液晶顯示屏，用于顯示體溫和脈搏信息；通信模塊采用HC?05藍(lán)牙串口模塊，可直接與單片機(jī)串口進(jìn)行通信，并可與帶有藍(lán)牙功能的電腦、手機(jī)等智能終端配對。監(jiān)控終端硬件

原理圖如圖2所示。

體溫采集模塊溫度傳感器采用電子體溫計專用高精度NTC熱敏電阻[4]，在37 ℃時的阻值誤差范圍僅僅為50 Ω，阻值精度高達(dá)0.16%，靈敏度為0.1 ℃。體溫采集模塊利用NTC熱敏電阻阻值在不同溫度下發(fā)生改變的特性，通過TLC1549芯片將NTC阻值采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，交由單片機(jī)處理。根據(jù)NTC阻值隨溫度的變化特性，再結(jié)合校正補償算法可計算出當(dāng)前人體溫度。

脈搏采集模塊利用紅外光電傳感器實現(xiàn)脈搏信號的采集，并通過處理電路對采集的初始脈搏信號進(jìn)行濾波、放大以及整形處理，最終使其轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可識別的脈沖信號[4]。本系統(tǒng)采用基于SON3130心率IC設(shè)計的SON1205脈搏傳感模塊，其輸出信號類型為0～3 V的方波。每當(dāng)脈搏跳一次，其輸出一個方波，輸出的方波作為單片機(jī)的計數(shù)器中斷信號由單片機(jī)計算處理后輸出結(jié)果。

顯示模塊采用1602型液晶，1602液晶顯示屏是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等字符的點陣型液晶模塊。工作電壓為3.3～5 V，對比度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路，提供各種控制命令等。在本系統(tǒng)中利用1602液晶屏來顯示采集的人體體溫、脈搏數(shù)據(jù)。

通信模塊采用HC?05藍(lán)牙串口模塊，本模塊可直接與單片機(jī)串口進(jìn)行通信，并可與帶有藍(lán)牙功能的電腦、手機(jī)等智能終端配對，將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括監(jiān)測終端軟件設(shè)計和手機(jī)APP設(shè)計。監(jiān)控終端軟件設(shè)計包括單片機(jī)初始化程序、體溫、脈搏傳感器驅(qū)動程序、LCD驅(qū)動程序、藍(lán)牙模塊驅(qū)動程序等。手機(jī)APP設(shè)計包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)保存三大方面。

3.1 監(jiān)測終端軟件設(shè)計

單片機(jī)初始化程序包括I/O口初始化、串口初始化、定時器初始化等[5]。體溫傳感器驅(qū)動程序主要為控制TLC1549芯片完成電壓值的A/D轉(zhuǎn)換，并讀取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用于體溫值的計算。脈搏傳感器驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)的是對脈搏信號的計數(shù)功能。監(jiān)控終端程序流程圖如圖3所示。

首先完成定時器0和外部中斷0的初始化，即設(shè)置定時器0的工作模式，外部中斷0的觸發(fā)方式等。初始化完成后通過外部中斷服務(wù)程序和定時器終端服務(wù)程序來完成規(guī)定時間內(nèi)脈搏信號的計數(shù)功能。LCD驅(qū)動程序包括1602顯示屏的初始化程序、字符讀寫操作程序以及字符顯示程序。該部分程序設(shè)計好以后主程序可直接通過調(diào)用顯示函數(shù)將體溫、脈搏數(shù)據(jù)在LCD屏幕上以指定格式顯示。藍(lán)牙模塊驅(qū)動程序中首先進(jìn)行串口的初始化，設(shè)置藍(lán)牙串口的工作方式、數(shù)據(jù)格式以及波特率[6]，它實現(xiàn)的是把處理后的體溫、脈搏等信息發(fā)送至手機(jī)APP。

3.2 手機(jī)APP設(shè)計

手機(jī)APP程序結(jié)構(gòu)圖流如圖4所示。

手機(jī)APP設(shè)計采用App Inventor[7]設(shè)計完成。實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收首先需要完成的是手機(jī)藍(lán)牙與監(jiān)控端HC?05藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對，配對成功以后，利用App Inventor中自帶的藍(lán)牙客戶端組件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)接收完成后，在App Inventor中搭建代碼來判斷獲取的體溫、脈搏值是否正常。如超出正常范圍，APP自動給出相應(yīng)的健康建議，同時界面圖形將發(fā)生相應(yīng)的顏色變化來提示用戶當(dāng)前的健康狀態(tài)。每次測量完畢后，利用App Inventor中的微數(shù)據(jù)庫組件保存當(dāng)前測量的體溫、脈搏等信息，同時利用計時器組件獲取系統(tǒng)當(dāng)前時間，并將之保存在微數(shù)據(jù)庫中。

本系統(tǒng)的手機(jī)APP主要實現(xiàn)的功能有：開機(jī)畫面、用戶登錄注冊、接收數(shù)據(jù)、動態(tài)顯示數(shù)據(jù)、分析判斷數(shù)據(jù)、給出健康建議以及保存數(shù)據(jù)。

打開手機(jī)APP，首先點擊注冊按鈕進(jìn)入注冊界面填寫相關(guān)的信息，用戶注冊完成后即可進(jìn)行登錄。用戶登錄成功后界面將自動跳轉(zhuǎn)到APP的主界面即健康測量界面，它的主要功能是實時數(shù)據(jù)的顯示。當(dāng)藍(lán)牙連接完成后，就可以進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的接收與顯示，點擊開始測量按鈕，界面上將會開始動態(tài)顯示體溫和脈搏數(shù)據(jù)，圖5為健康測量界面。最后手機(jī)APP能根據(jù)成人心率60～100次/min，體溫36～37 ℃的參考值，對不同測量結(jié)果的測量值給出相應(yīng)的健康建議。

健康記錄界面用于歷史測量數(shù)據(jù)的顯示。APP將監(jiān)控終端采集到的歷史數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無紙化記錄。用戶想要查看以往的測量記錄時，本系統(tǒng)設(shè)計了兩種人性化的界面顯示歷史數(shù)據(jù)：一是以文本形式一條條在健康記錄界面顯示；二是將近期數(shù)據(jù)繪制成折線圖顯示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)設(shè)計完成后，分別對監(jiān)控終端和手機(jī)APP進(jìn)行測試。監(jiān)控終端能夠準(zhǔn)確采集體溫和脈搏信息，并通過藍(lán)牙模塊實時發(fā)送至手機(jī)APP，同時在LCD顯示屏上實時顯示。手機(jī)APP能夠與監(jiān)控終端藍(lán)牙模塊[8]正常配對，輸入正確的用戶名和密碼后能夠正常登錄，并將測量信息在界面上實時顯示。APP能夠根據(jù)不同的測量值給出相應(yīng)的健康建議，并能夠記錄以往的測量值，將以往測量值以文本形式或折線圖形式顯示。

根據(jù)中華人民共和國醫(yī)用電子體溫計標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21416?2008）中規(guī)定：

（1） 體溫計的設(shè)計分辨率應(yīng)小于或等于0.1 ℃。

（2） 體溫計最大允許差在低于35.3 ℃時為±0.3 ℃；在35.3～36.9 ℃時為±0.2 ℃；在37.0～39.0 ℃時為±0.1 ℃；在39.0～41.0 ℃時為±0.2 ℃；高于41.0 ℃時為±0.3℃。

在實驗室選取了10個樣本對系統(tǒng)進(jìn)行了測試。用本系統(tǒng)測量了6個樣本的體溫和脈搏，并與實際值相比較，分辨率和誤差都在規(guī)定范圍內(nèi)。監(jiān)控終端的測試值和實際值比較如表1所示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計了一套基于單片機(jī)和手機(jī)APP的便攜式的人體健康監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體溫度和脈搏等信息的采集。手機(jī)APP將采集的信息進(jìn)行保存和顯示，并根據(jù)不同的測量值給出相應(yīng)的健康建議，且用戶可隨時查看自己的歷史測試記錄。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并采用模塊化的設(shè)計方式使系統(tǒng)易于擴(kuò)展和升級。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中穩(wěn)定度好并具有較高的靈敏度，能滿足一般家庭的使用需求。結(jié)合其成本低并且簡單易用的特點，有一定的推廣價值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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