基于Android和WIFI的無線體征信息監測系統

韓 方，毛曉波，鄒 倩，崔孟丹，石 霄

（鄭州大學 電氣工程學院，河南 鄭州 450001）

隨著時代的發展，人們開始越發地關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別生命體征的監測儀器，由于其普遍操作繁瑣，專業性過強，信息顯示單一及針對性不強等特點，始終無法在市場中得到推廣。在此介紹一款基于智能系統，簡約便利，具有低功耗、使用方便、操作簡單等特點的生命體征監測系統。

此款監測系統在集成實時監測體溫脈搏等多項生命體征的同時，結合當下快速普及的Android智能系統，將最大化減少使用者的操作過程。用戶僅需通過簡單設置便可通過智能軟件在隨身設備上直觀地實現對多項生命體征信息的實時動態，抑或間隔性監測，又可針對設定值對超標體征進行報警。同時，智能終端軟件還可針對數據進行優化整理，建立個人體征信息數據庫，針對個體情況作出分析，對個人健康提出合理化建議。

1 總體結構與工作原理

系統基于安全、可靠，使用方便、經濟等原則，采用模塊化設計思想。采集部分基于STC89S52單片機為核心，運用溫度傳感器DS18B20、HK2000B型壓電式脈搏傳感器等模塊采集生理體征信息，經過濾波放大，數字化處理后由HLKWIFIM03模塊通過無線傳輸至服務器，而后推送至用戶終端進行顯示。系統總體原理框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Overall block diagram of system

2 系統設計

2.1 硬件電路設計

2.1.1 脈搏檢測模塊設計

心室周期性的收縮和舒張導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動脈系統傳播，這種波稱為脈搏波[1]。脈搏波所呈現出的形態、強度、速率和節律等方面的綜合信息，很大程度上反映出人體心血管系統中許多生理病理的血流特征[2]。

考慮到產品價格和所需精度的要求，本模塊選擇了合肥華科電子技術研究所研制開發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）、靈敏度溫度補償元件、感溫元件、信號調理電路集成在傳感器內。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，該產品主要應用于無創心血管功能檢測、妊高征檢測、中醫脈象診斷等。脈搏采集部分主要構成如圖2所示。

圖2 脈搏采集結構框圖Fig.2 Structure of pulse acquisition

脈搏傳感器輸出的模擬信號電壓范圍是-0.1～0.6V，為消除負號，滿足后級單端輸入A/D轉換器的需要，設計了電壓抬升電路如圖3所示。

圖3 電壓抬升電路圖Fig.3 Voltage uplift circuit

經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為100 Hz，濾除系統的干擾，包括電壓抬升引入的干擾以及工頻干擾等，并把信號傳輸到A/D轉換器中為下一步的模數轉換做準備。

MAX187是12位逐次逼近式串行A/D轉換芯片，轉換速度快，耗電量少[3]。與單片機連接時采用3線接口的數據串行方式，MAX187與STC89S52單片機的接口電路如圖4所示。

圖4 MAX187與單片機的接口電路Fig.4 MAX187 and SCM interface circuit

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的串口時序，完成A/D連續轉換的讀寫操作。電源需要進行去耦合處理，典型接法是用一個4.7 μF電容和一個0.1 μF電容并聯。當使用內部4.096 V參考電壓方式時，4腳接一個4.7 μF的退耦電容。此時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范圍要外加電路進行電壓范圍的變換。

2.1.2 體溫檢測模塊設計

體溫模塊選用DALLAS公司生產的單總線式數字溫度傳感器DS18B20[4]，它體積小，便于貼身式檢測，輸出為數字量，使用方便。測量溫度范圍為-55～+125℃。可用程序設定為9～12位的分辨率。當分辨率設置為12位時，轉換精度為±0.062 5℃。與單片機的連接電路如圖5所示。

圖5 溫度采集外圍電路圖Fig.5 External circuit of temperature sensor DS18B20

DS18B20的內部存儲器分為兩部分，一部分是包含8個連續字節的高速暫存RAM。溫度信息存放在前2個字節，其中溫度的低八位存放在第1個字節，高八位存放在第2個字節。TH、TL的易失性拷貝分別存放在第3、4個字節，結構寄存器的易失性拷貝存放在第5個字節，這3個字節的內容在每一次上電復位時都會被刷新。第6、7、8個字節用于內部計算。第9個字節是冗余檢驗字節。另一部分是存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL以及結構寄存器的非易失性的、電可擦除的E2ROM。DS18B20可以通過程序設置最高和最低報警溫度TH和TL，實現對溫度的越線報警控制[5]。

每次對DS18B20進行讀寫之操作前都要先進行復位（即初始化），復位成功后發送一條ROM指令，最后再發送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代嵌入式Uart-Wifi模塊HLK-WIFIM03（圖6所示）。Uart-Wifi是基于Uart接口的符合wifi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，能夠實現用戶串口數據到無線網絡之間的轉換。

圖6 HLK-WIFI-M03模塊Fig.6 HLK-WIFI-M03 module

5針：VDD接3.3V電源；8針：GND接地；6針：RXD接單片機TXD；7針：TXD接單片機RXD

首先，將WiFi模塊設置為透明傳輸模式，加入AP所在的局域網并與網內服務器建立socket連接，此時socket可以看作通信雙方的“虛擬導線”[6]。采集的體征信息可直接通過此“虛擬導線”透傳至服務器。在服務器建立的軟件可以對數據進行整合與分析，若出現越限情況，則服務器立即通過Internet將報警信號及用戶體征信息發送至用戶家人的手機或其他移動設備，同時可以將報警信息發送至醫院，以便對病人進行急救。

2.2 軟件設計

系統在用戶終端上我們選用Android智能系統作為應用平臺。Android是由谷歌 （Google）和開放手機聯盟（OpenHandset Alliance）支持的一個手機軟件開發平臺，支持多種無線網絡連接方式，如GPRS、WiFi、藍牙等。通過這些方式，Android手機可以方便地通過無線網絡通信，訪問Internet和各種網絡上的服務器。同時Android框架提供了對HTTP等通訊協議的支持。

Android應用程序是以許多Android API組件為基礎進行開發的，下面是幾種主要的API組件：當前活動程序Activity是最常用的應用程序組件，可以把Activity簡單的理解成一個用戶所看到的屏幕，稱之為“活動”。它主要用于處理程序的整體性工作，通過調用onCreate （）、onStart（）、onRestart（ ）、onResume （ ）、onStop（ ）、onDestory （ ）等方法來實現運行、暫停、停止等狀態。例如監聽按鍵、觸摸屏等事件，指定圖像顯示View，啟動其他Activity。Android用Intent類實現啟動其他 Activity，它調用 startActivity（myIntent）方法觸發解析myIntent動作，新的Activity接收到myIntent通知后，開始運行，例如通過Activity的切換實現顯示布局的切換。ContentProvider類是一個特殊的存儲數據的類型，它實現了數據的存儲與共享。Service是運行在后臺的應用程序組件，不直接與用戶交互。當前活動程序可以使用Context.StartService （）開啟一項后臺服務，還可以通過Context.bindService（）與后臺服務通信。在Android的Java程序中，實現人機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聽器。事件響應部分代碼如下：

3 系統調試

首先對WIFI模塊進行參數配置，使其工作于透明傳輸模式，隨時進行數據的傳輸。通過單片機對串口的寫操作命令將數據通過無線傳輸在手機界面上顯示出來。

然后對脈搏進行校準，將系統測得的人體脈搏數據與標準脈搏計測得的數據進行比較，結果表明兩者誤差在±5 Hz。

最后進行體溫的測試，通過對軟件、硬件的調試。在顯示界面得到一個溫度數據，然后和標準體溫計測得的數據進行比較，結果表明兩者差異在±0.1℃。設定體溫高低閾值分別為38℃、35℃，當給定的測試溫度為小于35℃或大于38℃時，用戶手機會自動彈出報警提示界面。

體溫采集顯示如圖6所示，橫軸為軟件運行時間，縱軸為體溫值。

圖6 體溫采集Android應用界面Fig.6 Temperature acquisition of Android application interface

心率采集顯示如圖7所示，根據時間進行記錄并上傳至服務器。

圖7 心率采集Android應用界面Fig.7 Heart rate acquisition of Android application interface

4 結束語

此款監測系統在集成實時監測體溫、心率等多項生命體征的同時，結合當下快速普及的手機智能系統，將采樣的體征信息通過WiFi網絡傳輸至信號處理中心，由信號處理中心對采樣信息進行編譯和處理，形成一定的波形、數據結果，再由網絡傳輸到其接收端，結合用戶Android設備終端進行數據顯示及反饋。采用人機友好交互界面進行體征信息管理，可實現遠程體征信息監測、分析、警報等功能，具有低功耗、使用方便、操作簡單等特點，應用前景廣闊。

[1]魏慶國，奉華成.基于FPGA的數字式心率計[J].電子技術應用，2005（7）:75-77.WEI Qing-guo，FENG Hua-cheng.FPGA-based digital heart rate meter[J].Application of Electronic Technique，2005（7）:75-77.

[2]乜國荃，方祖.人體脈搏的測量與分析[J].上海生物醫學工程，2006（2）:74-76.NIE Guo-quan，FANG Zu.Measurement and analysis of the human pulse[J].Shanghai Biomedical Engineering，2006（2）:74-76.

[3]趙正平，吳小培，陳蘊.便攜式心電遙測系統中AD轉換的實現[J].技術交流，2007（12）:47-48.ZHAO Zheng-ping，WU Xiao-pei，CHEN Yun.Realization of AD conversion in portable ECG telemetry system[J].Technology Exchange，2007（12）:47-48.

[4]陳明，邱超凡.基于DS18B20數字溫度傳感器的設計與實現[J].現代電子技術，2008，271（8）:188-189.CHEN Ming，QIU Chao-fan.Design and realization of digital temperature sensor based on DS18B20[J].Modern Electronic Technology，2008，271（8）:188-189.

[5]胡天明，齊建家.基于DS18B20的數字溫度計設計及其應用[J].黑龍江工程學院學報：自然科學版，2008（2）：60-62.HU Tian-Ming，QI Jian-jia.The design and application of digitalthermometerbased on DS18B20[J].Journalof Heilongjiang Institute of Technology，2008（2）：60-62.

[6]范皖勇.嵌入式Wi-Fi技術研究與應用 [D].上海:華東師范大學，2009.