基于二維碼的穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

康燁 仝志民 孫浩楠 趙乃辰

摘? ?要：可穿戴式醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備近年來(lái)悄然興起，該領(lǐng)域已經(jīng)成為醫(yī)療領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。新興技術(shù)與智能可穿戴技術(shù)的不斷融合大大促使智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備的更新。本文設(shè)計(jì)了基于二維碼的穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)人體的溫度、心率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用Arduino作為微控制器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并以二維碼的形式展示在顯示器上，通過(guò)手機(jī)客戶端的微信小程序掃描二維碼可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，便于個(gè)體對(duì)于數(shù)據(jù)的查看。引進(jìn)二維碼技術(shù)，有效的解決了當(dāng)前市場(chǎng)上已有設(shè)備存在的信息安全問(wèn)題，也增加了用戶體驗(yàn)的趣味性。

關(guān)鍵詞：二維碼? 穿戴式健康監(jiān)護(hù)? Arduino? 微信小程序? 信息安全

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）03（a）-0154-02

可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備近年來(lái)悄然興起，原因在于人們的健康觀念和生活方式發(fā)生了變化，人們對(duì)自身及家人的健康日益關(guān)注，尤其是在我國(guó)年齡結(jié)構(gòu)日益步入老齡化的階段，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人健康狀況已經(jīng)成為當(dāng)今乃至今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的迫切任務(wù)。黃衍標(biāo)[2]設(shè)計(jì)了基于智能手表的跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)三軸加速器、三軸陀螺儀等檢測(cè)被監(jiān)護(hù)人腕部姿勢(shì)，再利用BLE通過(guò)手機(jī)上傳至云端，同時(shí)利用GSM向監(jiān)護(hù)人進(jìn)行遠(yuǎn)程跌倒報(bào)警求救;朱海洋[3]設(shè)計(jì)了一種低功耗心率測(cè)量智能穿戴設(shè)備，該設(shè)備以STC15W401AS單片機(jī)為控制核心，采用NJL5303集成收發(fā)光電傳感器采樣脈搏信號(hào)，經(jīng)過(guò)二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)將結(jié)果發(fā)送到手機(jī)APP軟件。上述幾種設(shè)計(jì)雖然能夠有效檢測(cè)人體的健康狀況，但是對(duì)于被檢測(cè)人的信息安全并沒(méi)有做出考慮。

作為穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備和云數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，本設(shè)計(jì)采用二維碼這一新型的數(shù)據(jù)傳輸手段，一方面具有對(duì)數(shù)據(jù)的保密功能，另一方面可以節(jié)省利用其它傳輸手段比如無(wú)線模塊或藍(lán)牙模塊帶來(lái)的硬件設(shè)備增加，這對(duì)于穿戴式設(shè)備是非常有意義的。傳輸至云服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲(chǔ)、積累、分析，從而使人體健康的監(jiān)測(cè)納入大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)之上，以便于對(duì)健康指數(shù)的辨識(shí)、預(yù)測(cè)以及預(yù)警。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于二維碼的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)總體上可以分為硬件和軟件兩部分設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)利用Arduino作為微控制器，由MAX30102心率采集傳感器和MAX30205體溫檢測(cè)傳感器作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用OLED屏作為集成數(shù)據(jù)的二維碼顯示設(shè)備，并利用手機(jī)微信小程序可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的掃描二維碼，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以上傳到云端，便于后續(xù)的健康分析。

本設(shè)備通過(guò)上述幾大系統(tǒng)相互作用完成對(duì)人體健康的監(jiān)測(cè)。整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括健康監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、二維碼顯示模塊、電源模塊以及用于查看數(shù)據(jù)的手機(jī)終端。

2.1 數(shù)據(jù)采集以及處理

2.1.1 MAX30102心率、血氧采集模塊

心率數(shù)據(jù)采集使用MAX30102模塊，它是一個(gè)集成的脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀生物傳感器模塊，集成了紅外光LED、光電檢測(cè)器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪聲電子電路。該模塊利用光電容積法測(cè)量心率，基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成透光率不同來(lái)進(jìn)行脈搏和血氧飽和度測(cè)量。血氧飽和度的定義式表示為：

該模塊采用標(biāo)準(zhǔn)I2C接口與Arduino微處理器進(jìn)行信息傳輸，便于后續(xù)對(duì)信息的處理，同時(shí)它具有體積小，佩戴簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可以快速高效的采集數(shù)據(jù)。

2.1.2 MAX30205體溫檢測(cè)模塊

體溫?cái)?shù)據(jù)采集使用MAX30205體溫檢測(cè)模塊，它是一款集成溫度傳感器，可以精確測(cè)量溫度，并提供過(guò)溫報(bào)警/中斷/關(guān)斷輸出[4]，該器件使用高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，工作在0°C至+50°C的溫度范圍內(nèi)，精度為0.1°C。

2.2 數(shù)據(jù)接收以及顯示

基于二維碼的穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)以二維碼陣列的形式表示。二維碼分為堆疊式和矩陣式，本系統(tǒng)采用的是矩陣式QR碼。它是在一個(gè)矩形空間通過(guò)黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼，在矩陣相應(yīng)元素位置上，用點(diǎn)的出現(xiàn)表示二進(jìn)制“1”，點(diǎn)的不出現(xiàn)表示二進(jìn)制“0”，點(diǎn)的排列組合確定了矩陣式二維碼所代表的意義。

本設(shè)計(jì)采用OLED屏實(shí)現(xiàn)二維碼的展示。OLED屏即有機(jī)發(fā)光二極管顯示器，構(gòu)造簡(jiǎn)單，自發(fā)光不需要背光源，對(duì)比度高厚度薄，反應(yīng)速度快，廣泛應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域、通訊領(lǐng)域以及消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域。顯示結(jié)果如圖2所示。

2.3 主控模塊

基于二維碼的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的主控制器采用Arduino主板，一款便捷靈活的開(kāi)源電子原型平臺(tái)[5]。它擁有多類(lèi)型數(shù)據(jù)傳輸接口，便于同傳感器進(jìn)行信息交互。該平臺(tái)擁有專(zhuān)用的Arduino IDE，對(duì)于編程者極易掌握，具有足夠的靈活性。同時(shí)由于其開(kāi)源的特點(diǎn)，用戶在開(kāi)源協(xié)議范圍內(nèi)可以任意修改原始設(shè)計(jì)以及相應(yīng)代碼，便于二次開(kāi)發(fā)。

3? 軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端采用微信小程序進(jìn)行開(kāi)發(fā)。微信小程序就是一種基于微信系統(tǒng)上簡(jiǎn)潔輕量的APP，所提供的功能都是最主要的功能[6]。我們采用微信官方給出的開(kāi)發(fā)者工具，完成小程序的API和頁(yè)面的開(kāi)發(fā)調(diào)式、代碼查看和編輯?；诙S碼的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)微信小程序包含二維碼掃描以及歷史數(shù)據(jù)查看功能。

4? 測(cè)試結(jié)果

我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次模擬測(cè)試，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描查看，歷史數(shù)據(jù)每1min保存一次進(jìn)行云端上傳，結(jié)果表明選用MAX30102模塊和MAX30205模塊可以有效檢測(cè)出人體健康數(shù)據(jù)，同時(shí)微信小程序也可以實(shí)時(shí)掃描得到信息。經(jīng)過(guò)不同環(huán)境下的測(cè)試，該系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

5? 結(jié)語(yǔ)

基于二維碼的穿戴式健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以便捷的實(shí)現(xiàn)人對(duì)于多項(xiàng)健康指數(shù)實(shí)時(shí)查看的需求，同時(shí)二維碼的特點(diǎn)可以有效保證用戶的私人信息安全，也增加了用戶體驗(yàn)的趣味性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張海芳，于志峰.智能穿戴醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展[J].醫(yī)療裝備， 2017，30（19）：203-204.

[2] 黃衍標(biāo)，陳華珍，黃鍵鵬，等.基于腕部可穿戴設(shè)備的跌倒監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， 2019，27（1）：102-106.

[3] 朱海洋.基于智能穿戴的心率測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（15）：108-109.

[4] 烏音嘎.家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].內(nèi)蒙古大學(xué)，2018.

[5] 耿麗娟，劉青，袁培燕.基于Arduino的智能防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2020（4）：1-6.

[6] 胡亞琛.探究微信小程序的開(kāi)辟與走向[J].現(xiàn)代營(yíng)銷(xiāo)：經(jīng)營(yíng)版，2019（4）：92.