基于Android 及Arduino 的可穿戴式生命體征檢測系統(tǒng)

黃寧，陳乙德

（中山大學新華學院信息科學學院，東莞 523133）

0 引言

近年來，消費級的可穿戴設(shè)備逐漸走進人們生活，有一部分諸如小米手環(huán)、華為手表之類的可穿戴設(shè)備集成了心率監(jiān)測的功能。然而這些可穿戴設(shè)備普遍存在續(xù)航時間短、無法監(jiān)測體溫、功能冗雜、成本偏高等缺陷[1]。這是由于廠商在可穿戴設(shè)備上集成了過多的功能所導致的。換言之，市面上并不存在一款專注生命體征監(jiān)測的可穿戴設(shè)備。本文介紹了一種低成本、長續(xù)航、高可靠性、專注于生命體征監(jiān)測的可穿戴設(shè)備[2]。

1 生命體征監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為了提升系統(tǒng)續(xù)航，降低充電頻率，故而硬件應(yīng)該在滿足基本需求的前提下盡可能簡化，同時硬件也應(yīng)當考慮到功耗控制。因此藍牙模塊選取了BT04 藍牙從機模塊。由于系統(tǒng)對精度要求不高，為降低實現(xiàn)難度，溫度傳感器選取了LM35 溫度傳感器模塊。系統(tǒng)控制器采用了集成有ATmega2560 芯片的Mega2560，Mega2560 具有同時具有54 路數(shù)字輸入/輸出口（其中15 路可作為PWM 輸出），15 路模擬輸入，4 路UART接口，預留了極大的升級余地。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

LM35 是由National Semiconductor 所生產(chǎn)的溫度感測器，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換公式如下，0°C 時輸出為0V，每升高1°C，輸出電壓增加10mV。

心率測量采用的是PulseSensor 模塊，這一模塊集成了光電變換器和光源兩部分，降低了系統(tǒng)的實現(xiàn)難度。這一模塊的原理是當心臟跳動時人體組織會周期性地出現(xiàn)透光率的改變，通過監(jiān)測透光率的變化就能測量心率，即光電容積法。

光電容積法的原理是監(jiān)測心臟周期性收縮舒張導致動脈內(nèi)血液充盈程度變化從而進行脈搏測量。進而導致人體組織透光率發(fā)生改變。光電容積法的光源一般采用波長為500nm-700nm 的發(fā)光二極管，這一波長對動脈血中氧和血紅蛋白有選擇性。

血管內(nèi)血液充盈程度變化將導致血液的透光能力發(fā)生改變，此時光電變換器通過接收反射從人體組織反射的特定波長的光線，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑼ㄟ^硬件電路將電信號進行處理后輸出。因為脈搏和動脈血管容積都會隨著心臟的搏動而周期性變化，所以根據(jù)電信號變化周期就能得到脈搏率[3]。

圖2 脈搏數(shù)據(jù)讀取流程圖

數(shù)據(jù)傳輸考慮到穩(wěn)定性、功耗等多方面因素采用的是藍牙技術(shù)[4]，由于無需充當藍牙主機，采用的是BT04-A 藍牙從機模塊，支持藍牙V3.0+EDR、藍牙Class 2、UART 接口，內(nèi)置PCB 射頻天線，使用3.3V 電源供電。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

應(yīng)用運行在Android API 大于等于22 的Android系統(tǒng)上，低于此API 有可能出現(xiàn)未知問題。軟件主要由數(shù)據(jù)接收模塊、藍牙控制模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊構(gòu)成。

2.1 數(shù)據(jù)接收模塊

為保證長時間穩(wěn)定接收來自硬件的消息，因而需要創(chuàng)建線程進行專門的數(shù)據(jù)讀取，加上由于Android 特性，無法在主線程中執(zhí)行耗時操作[5]，故而使用Service內(nèi)建線程的方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取。

數(shù)據(jù)接收模塊通過回調(diào)的方式實現(xiàn)與數(shù)據(jù)顯示模塊之間的通訊。

/***數(shù)據(jù)接收模塊內(nèi)代碼****/

private Callback callback=null;

public void setThisCallback（Callback mCallback）{

this.callback=mCallback;

}

public static interface Callback{

void onDataChange（String data）;//空方法

}

public Callback getThisCallback（）{

return callback;

}

/***數(shù)據(jù)顯示模塊內(nèi)代碼****/

bleBinder=（BleListenService.BleBinder）service;

bleBinder.getService（）.setThisCallback（new BleListen-Service.Callback（）{

@Override

public void onDataChange（String data）{

//實現(xiàn)onDataChange 方法

Message msg=new Message（）;//新建消息對象

Bundle bundle=new Bundle（）;

bundle.putString（"data"，data）;

msg.setData（bundle）;

handler.sendMessage（msg）;

//將數(shù)據(jù)發(fā)送至模塊內(nèi)的handler 做進一步處理

}

}）;

圖3 數(shù)據(jù)讀取流程圖

2.2 藍牙控制模塊

藍牙控制模塊包含簡化后的藍牙工具類、藍牙廣播接收器，以及一個進行數(shù)據(jù)測試的輸入框，同時創(chuàng)建了一個顯示界面以便用戶使用進行操作。藍牙控制模塊負責實現(xiàn)藍牙連接、藍牙搜索、藍牙配對及藍牙相關(guān)權(quán)限的申請。

private final BroadcastReceiver mReceiver1;

mReceiver1=new BroadcastReceiver（）{

@Override

public void onReceive（Context context，Intent intent）{

String mAction1=intent.getAction（）;

BluetoothDevice mDevice1;

//與發(fā)現(xiàn)設(shè)備的廣播進行比對

if （BluetoothDevice.ACTION_FOUND.equals（mAction1））{

//獲取設(shè)備的詳細信息

mDevice1=intent.getParcelableExtra（BluetoothDevice.EXTRA_DEVICE）;

String s1=mDevice.getBondState（）;

//判斷搜索到的設(shè)備是否配對

if（s1!=BluetoothDevice.BOND_BONDED）{

s1=mDevice1.getBleName（）+"："+mDevice1.get-BleAddress（）

bluetoothDevices.add（"未配對"+s1）;

}

}

}

};

圖4 藍牙操作界面

圖5 藍牙設(shè)備搜索流程圖

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊內(nèi)實現(xiàn)了回調(diào)接口，在onRestart 函數(shù)調(diào)用時將現(xiàn)有服務(wù)進行綁定，通過回調(diào)接口實現(xiàn)跨線程通訊，依賴handle 實例對數(shù)據(jù)進行處理并將主界面顯示進行更新。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面

3 系統(tǒng)運行結(jié)果及分析

3.1 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試存在于開發(fā)的各階段，測試需要覆蓋每個模塊，一方面是為了保障模塊能夠正常運行，另一方面是為了保障系統(tǒng)符合設(shè)計需求。

表1 測試環(huán)境搭建

在表1 所示的測試環(huán)境中，對設(shè)計功能進行測試，得到如表2 的結(jié)果。

表2 系統(tǒng)功能測試

3.2 傳輸穩(wěn)定性測試

為更貼合實際情況，實驗?zāi)M了用戶手持Android設(shè)備時的場景。測試通過統(tǒng)計來自從機的數(shù)據(jù)包編號，Android 應(yīng)用接收到的數(shù)據(jù)包個數(shù)，計算不同距離下傳輸中的丟包率。實驗結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)表3 可得到以下結(jié)論。Android 設(shè)備與硬件距離在150cm 以內(nèi)可確保數(shù)據(jù)過程中的穩(wěn)定性，而150cm 的通信距離完全滿足本系統(tǒng)應(yīng)用要求，因此這一系統(tǒng)在正常使用中的穩(wěn)定性滿足要求。

表3 傳輸穩(wěn)定性測試

4 結(jié)語

本文實現(xiàn)了采用可穿戴設(shè)備與手機應(yīng)用協(xié)同工作的構(gòu)想，其主要是結(jié)合可穿戴設(shè)備的浪潮，在Arduino與Android 平臺上進行開發(fā)的。通過Android Studio 與Arduino IDE 這兩個集成開發(fā)環(huán)境，使用Java 與C 語言的一個子集進行完成了系統(tǒng)的開發(fā)。系統(tǒng)的穩(wěn)定性和和可靠性較好，基本可以實現(xiàn)“使用戶能夠便捷且實時的了解到自己的生命體征”這一設(shè)計目標。