基于Android智能的健康監測系統設計與實現

王寶珠，劉 振，郭志濤

(河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401)

基于Android智能的健康監測系統設計與實現

王寶珠，劉 振，郭志濤

(河北工業大學 電子信息工程學院，天津 300401)

針對傳統健康監測系統的體征參數采集過程繁瑣、獲取不便、顯示單一等缺點，開發基于安卓智能終端的人體參數智能監測系統，并對此種解決方案做可行性分析。系統通過穿戴在身體上的各傳感器采集相應的體征信息，并通過傳感器的藍牙無線通信模塊，采用藍牙一主多從的組網方式，將數據發送至安卓智能端集中處理并顯示。實驗結果表明：它能夠將傳感器采集到的體征信息實時發送至安卓智能端，以更人性化、更友好的界面展現在用戶面前。系統框架良好，設計成本更低，組網更方便，有效地彌補了傳統人體體征參數采集系統的不足。

無線體域網；藍牙；安卓；健康監測

1 無線體域網

近年來，無線網絡技術、微電子集成技術和傳感器技術飛速發展[1-2]，可穿戴、便攜式健康監測系統(Wearable Portable Health Monitoring System)逐漸成為國際上的研究熱點。無線體域網(Wireless Body Area Network，WBAN)的深入研究則無疑為該系統的實現提供了最佳的平臺解決方案。人體健康體征參數信息的采集在健康醫療領域有著非凡的作用和意義。目前，它已越來越多的應用到我國許多醫療系統中[3]。傳統的人體體征參數采集系統往往是各信息采集傳感器、無線通信模塊與PC等醫療終端建立連接、組網[4]，將各傳感器采集到的人體體征信息經由無線傳輸網絡(包括藍牙、WiFi、Zigbee等)發送到PC醫療終端[5]，再經Internet進行信息共享，組網復雜、過程繁瑣、反應滯后，個人無法實時掌握自己的健康參數信息，更無法依據這些健康信息及時對用戶實施有效的救治或健康病變防御措施。

隨著無線通信技術和安卓智能終端的日益發展，新一代健康監測系統有了更優秀的解決方案[6]?；诎沧恐悄芙K端組網具有設計成本更低，組網更方便，以及更友好的人機交互和便捷的使用體驗等特點。測試結果表明：它能夠將傳感器采集到的人體體征信息實時發送至安卓智能端，速度幾乎同時同步，對于人體參數智能監測領域實時傳輸數據的要求具有重要的參考價值，并能以較完美的界面展現在用戶面前，且滿足了便攜移動、方便智能的需要。

2 系統功能概述

系統對人體的健康體征參數(包括體溫、脈搏、血壓、血氧飽和度等)信息分別利用相應的傳感器進行采集，并將采集到的信息經由藍牙硬件通信模塊實時發送至安卓智能終端。

安卓手機端對采集到的各體征信息先進行簡單分類顯示，使用戶可以在同一界面掌握所有健康信息，并且對不同體征信息設計詳細顯示界面，使用戶可以準確掌握某一特定信息當前時間的變化情況。同時，可預留系統短信接口，將健康信息經短信或Internet實現共享或發送至PC醫療終端，以便實現對用戶健康信息的匯總觀察管理，并據實際情況進行診斷，對用戶實施有效的救治或健康病變防御措施。

3 系統設計與實現

3.1 系統整體設計

健康監測系統整體框架如圖1所示，系統由底層硬件端和上層安卓軟件端組成，硬件端采集信息，經藍牙通信方式發送信息至手機端APP。

安卓端軟件設計采用功能模塊化方式，總程序分為各個獨立的子模塊，各子模塊完成各自相應的功能，由主程序據情況統一調度，以便于調試程序，也利于程序的修改、移植以及實現功能擴展。

各子模塊主要包括：初始化模塊；程序運行模式模塊；藍牙連接及切換模塊；底層信息獲取模塊；界面信息顯示模塊以及定時器中斷等。

系統主程序統一調度各個不同的功能模塊，以實現系統的穩定高效運行。主程序首先進行系統的初始化操作和自檢，如無故障則首先選擇程序運行模式(默認為自動運行模式)，同時初始化藍牙連接和藍牙切換模塊，掃描周圍藍牙裝置，依次進行配對連接，連接成功之后，向當前連接裝置發送指令，此時遠程硬件模塊將傳感器采集到的信息經藍牙通信模塊發至安卓手機端，手機端對接收信息處理、分類，在布局界面相應位置進行集中顯示，并根據用戶要求來顯示信息詳情。主程序流程圖如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 運行模式設計

選擇軟件運行模式是極為關鍵的一步，選擇合適的運行模式，可以使用戶更方便、更快捷地查看自己的健康信息。

進入軟件后，首先選擇軟件獲取系統底層信息的運作方式，這里默認為自動連接方式。當點按模式選擇按鈕，將當前運行模式設為自動連接后，用戶無需再次操作，程序會自動訪問遠程端藍牙裝置，首先連接體溫信息采集板，成功獲取體溫信息后，會自動切斷當前所連接藍牙，并向下一個遠程藍牙裝置——血壓信息采集板發送握手信息，成功連接后，自動獲取血壓信息，再次斷開當前所連接藍牙，并向下一個藍牙裝置發送握手信息，依次連接，循環往復，從而使用戶能夠極為方便的查看所有健康信息。

考慮到實際使用情況，系統同時設計手動連接方式，在手動連接模式中，軟件并不主動連接遠程藍牙裝置，而是由個體自己操作來選擇具體連接遠程哪個藍牙裝置(溫度模塊、脈搏模塊、心律模塊或血壓模塊)，這樣的優點是能夠更快捷、更高效地獲取用戶當前最想查看的某一特定健康信息。

3.3 藍牙連接及遠程端藍牙切換

此模塊為系統安卓端軟件的最重要部分，調試、優化、完善好此部分內容，才能使整個軟件更流暢無誤的接收來自遠程信息采集板發送的信息，從而使下一步的信息獲取和信息顯示成為可能。

首先，在選擇好運行模式后，軟件會初始化本地藍牙設備，同時分別創建兩個意圖過濾器，用以過濾接收查詢與完成的動作和搜索完成的廣播操作。此時，如是在手動模式下(自動模式下，以下操作實現均由軟件自行完成)，在程序運行之初生命周期onStart( )即運行一個新的意圖，以啟動本地藍牙適配器。

其次，點擊軟件中相應連接按鈕，給定預連接藍牙地址，本地藍牙適配器啟動藍牙搜尋：BluetoothAdapter.startDiscovery( )。

第三，程序調用藍牙固定通用唯一識別碼UUID (Universally Unique Identifier)，以實現藍牙的連接。

第四，藍牙連接成功之后，進行遠程端信息獲取工作，詳細步驟將在后面信息獲取模塊進行詳細闡述。

第五，點擊斷開按鈕(自動模式下由程序定時器實現)，關閉藍牙，socket.close( )，即斷開當前藍牙連接。

第六，本地藍牙適配器繼續搜尋遠程端下一個藍牙裝置，并進行連接，然后獲取信息，以此循環往復。整個運行流程如圖3所示。

圖3 藍牙連接與切換流程圖

3.4 硬件設計及底層信息獲取

底層體征信息采集傳感器主要包括體溫傳感器TMP112、脈搏傳感器HKG-78和血壓傳感器US9111。

信息采集模塊利用各體征傳感器采集信息，并通過單片機的A/D通道進行轉化和處理。課題中主要利用MSP430F149的序列通道單次轉換模式(也可以通過設置A/D轉換的寄存器實現序列通道多次轉換模式的切換)。通過對定時器A的操作，實現對數據采集時間間隔的設置。定時器A中斷到來時，先停止A/D轉換，然后讀取A/D采集到的數據，讀取完畢后再啟動A/D轉換，若成功取出數據，則以設置標志位的方式告知主程序成功獲取數據，該模塊的工作流程如圖4所示。

圖4 體征信息模擬量采集流程圖

底層信息采集板首先啟動I2C總線，對傳感器(如TMP112溫度傳感器)寫初始化，依次發送器件從地址(寫指令)、溫度寄存器子地址、器件從地址(讀指令)，從而實現底層信息采集板對信息的獲取，如圖5所示。

圖5 體征信息采集流程圖示例(溫度)

安卓智能端軟件在藍牙連接成功之后，即進行信息的獲取。首先點擊相應信息的獲取按鈕，判斷當前藍牙連接狀態，若當前藍牙地址不是規定的藍牙地址，則斷開重新搜索，若當前連接藍牙是規定的藍牙地址，則判斷Socket是否為空，若非空則通過調用socket.getInputStream( )獲取遠程端發來的信息，程序中設置信息為8位。

圖6 安卓端軟件獲取體征信息流程圖

如圖6所示，程序從Socket中獲取輸出流，創建一個寫輸出流， 用BufferedWriter將其包裹起來，用以緩沖輸出，用PrintWriter在寫入同時對寫入的數據進行格式化，輸出message調用flush( )方法，把緩沖區的數據強行輸出，從而實現對遠程端的寫指令操作。遠程端接收后，會將采集到的信息發送至手機端，安卓軟件端建立定時器任務，100 ms獲取一次底層信息，以實現信息的實時更新。

4 軟件操作與實驗驗證

界面編寫采用簡潔明了的風格，在體征信息主顯示界面，更簡潔人性化的將軟件所有操作命令及顯示信息集中顯示。如圖7所示，進入軟件，首先是初始引導界面，3 s后進入主顯示界面，此時如手機未打開藍牙，軟件會啟動權限提醒打開藍牙。點擊按鈕選擇“是”，軟件會打開藍牙。此時正式進入主顯示界面，包括運行模式選擇、手動連接模式下各相應傳感器連接按鈕、斷開當前連接按鈕、信息獲取按鈕均在主顯示界面一一秩序呈現，如圖8所示。

圖7 初始界面到主界面(截圖)

軟件設計自動模式為主模式，進入軟件后，在自動模式下，軟件會控制手機搜尋遠程端溫度信息采集板的藍牙通信模塊，并建立連接，軟件會提示連接成功。此時，遠程端溫度信息采集板采集到的溫度信息會自動顯示在溫度信息顯示框內，溫度信息獲取成功。同時程序內部計時器會控制當前連接藍牙斷開，以斷開當前連接，軟件進入下一項信息的采集、顯示環節。

當前藍牙連接斷開后(手動模式下可點擊斷開按鈕實現斷開)，繼續獲取下一項體征信息，例如獲取用戶血壓信息，

圖8 主界面及體溫信息顯示示例(截圖)

軟件控制手機連接遠程端血壓信息采集板的藍牙通信模塊，以獲取血壓信息，如圖9所示。同時軟件設計詳情顯示功能，可以使用戶觀察到最近時間的體征信息變化，從而對自己的身體情況更直觀、具體的了解掌握，如圖10所示。

圖9 多信息集中顯示(截圖)

t/s圖10 詳情顯示界面示例(溫度)

如上所述，自動連接模式下，用戶點擊進入自動模式后，無需再次操作，簡便、人性，同時，如前所述，軟件設計手動模式，用戶可以通過點按相應按鈕，更快捷、高效率地獲取用戶當前最想獲取的特定體征信息，用戶可以根據自己的具體情況要求來選擇相應的模式。

5 結束語

無線體域網這個概念已經被提出來多年，然而近些年才在健康監測、智能醫療相關領域迅速發展，各種硬件傳感器也不斷涌現[7]。本文研究了一種基于Android智能平臺、以藍牙無線通信技術為核心的健康監測系統的解決方案。測試結果表現良好，較完善地實現了人體體征信息從采集到顯示的各項要求。

此系統Android智能端用戶顯示界面后續仍可進行優化、改良，使得軟件更加易用、簡便，界面也更美觀，同時還可為此系統繼續添加其他信息傳感器，擴展系統功能。由于醫療設備的規格不同，沒有統一的實行標準[8]，此系統在實際應用時，還需視具體情況要求稍做修改、調試。

[1] 薛玉璽. 基于加速度傳感器的人體姿態識別系統研究[D]. 石家莊：河北科技大學， 2014.

[2] 張瑞卿. 基于Android手機客戶端的中央空調遠程數據監控系統研究[D]. 廈門：廈門大學， 2014.

[3] GROVER J. Android forensics：automated data collection and reporting from a mobile device[J]. Digital Investigation， 2013， 10(8)：12-20.

[4] 張鵬， 嚴孝祥. 基于Android平臺的心電遠程監護系統的實現[J]. 物聯網技術， 2015 (4)：56-58.

[5] ESPADA J P， DíAZ V G， CRESPO R G， et al. Using extended web technologies to develop Bluetooth multi-platform mobile applications for interact with smart things[J]. Information Fusion， 2015， 21(21)：30-41.

[6] QUWAIDER M， JARARWEH Y. Cloudlet-based efficient data collection in wireless body area networks[J]. Simulation Modelling Practice & Theory，2015(5)：57-71.

[7] 吳瓊.安卓平臺下醫療傳感器系統的研究[J]. 電子技術與軟件工程，2015(6)：128-128.

[8] 季磊，郭旭，施華宇.移動醫療終端通信系統的設計與實現[J]. 中國醫療器械雜志，2013(1)：37-39.

王寶珠(1962— )，女，碩士生導師，教授，主要研究方向為信息檢測、圖像處理、多媒體通信等；

劉 振(1989— )，碩士生，主研數字信號處理理論與應用；

郭志濤(1979— )，碩士生導師，副教授，主要研究方向為物聯網、射頻識別、嵌入式系統。

責任編輯：時 雯

Design and Implementation of Health Monitoring System Based on Android Smart

WANG Baozhu，LIU Zhen，GUO Zhitao

(SchoolofElectronicsInformationEngineering，HebeiUniversityofTechnology，Tianjin300401，China)

In view of traditional health monitoring system has tedious gathering process， inconvenient gaining and sole demonstration， an intelligent monitoring system of anthropometric parameters which based on android smart terminal is developed， and the feasibility analysis to it is made as well. This system through the various sensors dressing on body gathering corresponding symptom information. In addition， it through using Bluetooth wireless communication module and a multiple slaves networking of Bluetooth master， sending data to Android smart terminal so that it can be processed intensively and displayed. The experimental result indicated that it is able to send signs information gathering by sensors to Android smartphones， for case of bringing more humanized and friendly interface to the users. Favorable framework， lower design costs and more convenient networking compensate for the deficiencies of traditional health monitor system effectively.

WBAN； bluetooth； Android； health monitoring

TP311.5

A

10.16280/j.videoe.2015.24.007

2015-07-21