基于Android平臺的脈搏檢測實驗系統(tǒng)設計*

韓 君，張慶平

（深圳職業(yè)技術學院 電子與通信工程學院，廣東 深圳 518055）

脈搏是常見的生理現(xiàn)象，健康的成年人每分鐘脈搏跳動在60-100次左右[1]．脈搏的快慢可以一定程度反映人體心臟和血管的機能狀態(tài)，每分鐘脈搏跳動的次數(shù)稱作脈率．

本文提出的基于Android平臺的脈搏檢測實驗系統(tǒng)由脈搏傳感器、單片機系統(tǒng)、智能手機組成．把脈搏傳感器固定在中指或拇指處，學生可以簡便地測出脈率值，測量的結果在學生手機上顯示出來．該實驗系統(tǒng)已應用于我校物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)“傳感器應用技術”課程的實踐教學中．通過使用該實驗系統(tǒng)，學生在系統(tǒng)設計、電路調(diào)試、Android應用開發(fā)、軟件調(diào)試等方面都有了很大的提高．

1 設計背景

傳統(tǒng)傳感器教學中常用萬用表、示波器等儀器對傳感器檢測的信號進行測量和觀察．隨著集成化程度提高，智能傳感器應用越來越廣，智能傳感器可以通過WIFI、藍牙等無線網(wǎng)絡和移動終端相連，移動終端方便快捷的接收并顯示傳感器的測量信息[2]．Android系統(tǒng)手機就是一種便捷的移動終端，利用學生自己的手機不會增加實驗成本，將Android手機作為實驗系統(tǒng)中的一個組成部分，也會大大提高學生的參與興趣．

自2019年以來，我校物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)開展了基于Android的“傳感器技術”課程建設項目，將培養(yǎng)學生在移動終端軟件層的設計和調(diào)試能力融入到“傳感器應用技術”課程教學中，有利于充實傳感器課程資源庫的知識點和技能點體系[3]．

基于上述思想，選取脈搏信號檢測作為傳感器實訓教學的典型實驗案例，通過該實驗系統(tǒng)不僅僅使學生了解脈搏傳感器的基本原理，還能更大程度提高學生將傳感器、單片機系統(tǒng)和移動終端設備綜合使用的能力，整體提升學生軟硬件開發(fā)綜合能力．實驗系統(tǒng)框圖如圖1所示，由脈搏傳感器模塊，單片機模塊、WiFi傳輸模塊和移動設備顯示端組成，可以將傳感器模塊采集到的脈搏數(shù)據(jù)經(jīng)單片機模塊處理，計算出脈率值，再通過 WiFi傳輸模塊發(fā)送到移動安卓終端上顯示．

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設計

2.1 脈搏傳感器模塊設計

本系統(tǒng)使用的脈搏傳感器是是一種集成式脈搏傳感器．它的內(nèi)部由發(fā)光管、光敏管和放大電路組成．隨著心臟的搏動，手指端的血流量發(fā)生周期性的變化[4]，照射到手指端的光信號反射到光敏接收管，反射的光信號強度同樣也會發(fā)生周期性變化，利用光敏接收管及放大電路，最終傳感器輸出與人體脈搏同步的電壓信號．

脈搏傳感器輸出電壓信號Up經(jīng)過由AD8615組成的電壓跟隨器變換，輸出電壓U0接到單片機的模擬輸入通道PA0．另外，脈搏傳感器輸出信號Up經(jīng)LMV358電壓比較器輸出Upo控制指示燈D1，通過指示燈D1觀察脈搏跳動的情況．脈搏傳感器電路如圖2所示．

圖2 脈搏傳感器電路

2.2 單片機模塊設計

ATmega16單片機最小系統(tǒng)[5]組成了單片機模塊，主要完成AD轉換，脈率計算和數(shù)據(jù)通信功能，電路如圖3所示．脈搏傳感器模塊的模擬電壓信號U0接入PA0模擬通道，進行AD轉換，本實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)1～3個通道的脈搏檢測，其他兩個通道的脈搏傳感器電路與圖2原理相同，不再贅述．AD轉換的結果由串口—WiFi轉換模塊傳至移動設備顯示端．

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路

2.3 WiFi傳輸模塊設計

系統(tǒng)采用HLK-RM04WiFi傳輸模塊，它可以將來自串口的信號轉換成 WiFi通信模式的信號，借助這個通信模塊我們就可以將脈搏傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送給移動終端等設備顯示[6]．WiFi傳輸模塊與單片機連接電路如圖4所示．

圖4 WiFi傳輸模塊與單片機連接電路

3 系統(tǒng)界面設計

3.1 脈搏顯示界面設計

脈搏顯示界面上顯示三個脈搏采集點的狀態(tài)和數(shù)值，界面程序MainActivity.java流程圖如圖5所示．學生手機通過獲取服務器IP地址，與傳輸模塊生成的 WiFi節(jié)點連接，接收傳輸模塊上傳的數(shù)據(jù)，并在顯示控件對應位置顯示脈率值，未連接傳感器的采集點顯示待連接狀態(tài)．界面運行效果如圖6所示．

圖5 顯示界面程序流程圖

圖6 顯示界面運行效果圖

3.2 客戶端數(shù)據(jù)請求程序設計

為了能夠接收到參數(shù)數(shù)據(jù)，需要在項目包下新建Client.java文件，在文件中創(chuàng)建connect方法連接服務器．在顯示界面的程序流程中連接服務器部分即調(diào)用了 connect方法．數(shù)據(jù)請求客戶端Client.java程序流程圖如圖7所示．

圖7 客戶端數(shù)據(jù)請求程序流程圖

定義對象是為了后面的創(chuàng)建構造方法和創(chuàng)建連接方法做準備．采用Socket通信方式，這種方式方便與底層傳感器模塊通信，速度快而且靈活高效[7]．

創(chuàng)建Client構造方法，相當于定義使用它時的入口和出口參數(shù)．前面獲得的服務器 IP地址傳到這里，又通過myHandler返回傳感器數(shù)據(jù)和狀態(tài)消息，流程圖如圖8所示．

圖8 Client構造方法程序流程圖

創(chuàng)建 connect連接方法，這是數(shù)據(jù)請求客戶端設計的核心部分．利用 socket通信方式，通過 IP地址和端口port，啟動子線程thread讀取數(shù)據(jù)輸入流．程序流程圖如圖9所示．

圖9 connect連接方法程序流程圖

數(shù)據(jù)流讀取在子線程thread中進行，讀取的數(shù)據(jù)放在數(shù)組buffer中，如果讀到數(shù)據(jù)符合傳感器的數(shù)據(jù)格式，則通過myHandler發(fā)送buffer中的數(shù)據(jù)和連接成功消息．

4 實驗內(nèi)容設計

本實驗系統(tǒng)由脈搏傳感器電路實驗部分、單片機模塊實驗部分、界面設計實驗部分三個實驗模塊組成．每個實驗模塊安排了具體的實驗內(nèi)容．實驗內(nèi)容豐富，由簡入繁，可以根據(jù)學生程度自由選擇．表1列出了實驗的具體內(nèi)容、知識點、技能點，下面對實驗過程進行簡要說明．

表1 實驗內(nèi)容列表

首先，為了讓學生建立質(zhì)量管理的概念，實驗中對選用的脈搏傳感器進行質(zhì)量測試，使用示波器觀察其輸出電壓Up，根據(jù)說明書進行對比，進一步掌握脈搏傳感器轉換原理．示波器測量Up點的波形如圖10所示．然后，按照文中圖2電路進行脈搏傳感器電路焊接，焊接完成后用示波器測量電路輸出信號U0和Up0．示波器測量U0和Upo點的波形如圖11所示，圖中上方藍色波形是U0，下方黃色波形是經(jīng)過比較器電路的輸出信號Upo．對比觀察兩個信號在時序上對應關系，并繪制脈搏波形曲線，計算脈率值．

圖10 Up點的波形圖

圖11 U0和Upo點的波形如圖

進一步指導學生連接單片機和 WiFi傳輸模塊，下載單片機程序，按照文中所述系統(tǒng)界面設計的流程，在AndroidStudio開發(fā)平臺上指導學生進行 APP界面的布局設計，及脈率數(shù)據(jù)讀取設計，進行軟件調(diào)試，最終在手機上顯示采集點的脈率值，顯示效果在文中圖6所示．通過這個實驗，學生能夠基本掌握脈搏傳感器原理和選型，電路制作和調(diào)試、常規(guī)電子儀表使用、Android界面布局，客戶端數(shù)據(jù)請求程序設計和調(diào)試方法，并可以直觀的在手機上觀測到脈率值．

5 結 論

基于Android平臺的脈搏檢測實驗系統(tǒng)在本校物聯(lián)網(wǎng)應用技術專業(yè)的“傳感器應用技術”課程的實踐教學中充分調(diào)動了學生的積極性，收到良好的教學效果．通過使用該實驗系統(tǒng)，學生可以掌握脈搏傳感器的原理，更加熟練使用常規(guī)電子儀表，對模擬電路和單片機系統(tǒng)也有了更深的認識，學生在Android應用軟件設計和調(diào)試方面的能力也有了顯著的提高．實驗內(nèi)容由簡入繁，學生的選擇更靈活．可以分組進行實驗，組成員之間相互配合，分工合作，硬件電路調(diào)試和界面開發(fā)可同時進行，對學生團隊協(xié)作能力的培養(yǎng)也有很大的幫助作用．