基于WiFi的家庭健康监护系统

任胜楠

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院,陕西 西安　710000)



基于WiFi的家庭健康监护系统

任胜楠

(西安建筑科技大学 信息与控制工程学院,陕西 西安710000)

摘要针对现有医疗条件无法满足人们需求的问题,设计了一种基于WiFi的无线家庭健康监护系统。该系统采用了基于HF-LPB100的WiFi通信解决方案,实现对被监护者的体温、心率、血压体征参数的采集,并通过WiFi无线模块将采集到的数据发送到服务器端存储。同时,家人和医生可通过智能手机随时查看被监护者的体征参数。此外,还对系统软硬件的实现进行了说明,通过设计和测试,证明了该系统具有较强的使用价值,测量误差小,为医生进一步治疗提供了可靠依据。

关键词WiFi;STM32;健康监护;Android

随着科技的进步,信息产业也高速发展。物联网被称为世界信息产业第三次浪潮,成为业界公认的推动信息产业下一个高速发展的关键动力,无线传感器网络已被广泛应用到工业、农业、医疗、航空航天以及海洋开发和探索等各个领域中,并解决了诸多实际的工程问题。与此同时,基于无线网的家庭健康监护系统也应运而生。

纵观目前远程健康监护系统的研究现状,可以发现,当前的健康监护系统以及远程医疗系统相对比较大型固定,不利于在家庭中使用。无线家庭健康监护系统具有无需网络布线,使用简单方便,扩展性强的特点。医生和家人在电脑前或使用智能手机便可查看病人的体征信息参数。家庭健康监护系统通过WiFi将传感器采集到的被监护者的体温、心率、血压等体征参数发送到服务器端进行存储,医生及家人可通过远程计算机或手机查看,一方面若发现问题可及时去医院治疗,以免延误病情,另一方面可为日后的医疗方案提供依据。

1WiFi无线通信技术

WiFi全称是Wireless Fidelity,是IEEE定义的无线网络技术,又称为IEEE802.11b标准,其是一种可将个人电脑、手持设备等终端以无线方式互相连接的技术。事实上其是一个无线网络通信技术的品牌,由WiFi(WiFi Alliance)联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网络产品之间的互通性。该技术使用的是2.4 GHz的频段,主要特性为:速度快、可靠性高,在开放区域,通信距离可达305 m,在封闭区域,通信距离为76～20 m。

2系统总体设计

系统结构框图如图1所示。

图1　系统总体结构框图

系统主要由3部分组成:(1)STM32[1]单片机和体温、心率、血压传感器组成的数据采集模块;(2)WiFi无线收发模块和无线路由器;(3)服务器、智能手机和远程电脑。

该系统数据采集端以STM32F103RB单片机为主控芯片,利用温度、心率、血压传感器将采集到的被监护者的体征参数传递给单片机处理,单片机将数据通过串口传递给WiFi模块,由WiFi模块实现数据的无线收发。家中的无线路由器进行中转,可通过智能手机和远程电脑查看体征参数[2-4]。

3系统硬件设计

系统硬件设计主要是信息采集端,包括STM32单片机、传感器和WiFi模块。信息采集端结构框图如图2所示。

图2　信息采集端结构框图

3.1STM32单片机控制系统

主控芯片实现对传感器数据的采集和发送,该系统选用的是STM32F103RB,STM32是意法半导体公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的基于ARM Cortex-M内核的高性能产品。103系列为增强型产品,工作频率72 MHz,有片内RAM和丰富的外设。

各体征参数传感器通过通用I/O口与单片机相连,WiFi无线收发模块通过串口UART与单片机相连。供电部分采用6 V锂电池供电,使采集端更方便移动,不受电源接线限制[5-7]。

3.2传感器模块

该部分由体温、心率、血压3种传感器组成。体温传感器采用DS18B20温度传感器[8],DS18B20是一种价格便宜的数字温度传感器,其的优点有:体积小巧、测温快、测温分辨率高、测温范围为-55～125 ℃,性能稳定,在医院体温检测中得到了一定的应用。心率传感器采用Pulse Sensor,其是一款用于脉搏心率测量的光电反射式模拟传感器,将其佩戴于手指或者耳垂等处,通过导线可将采集到的模拟信号传输给单片机,单片机经过简单计算后便可得到心率数值。Pulse Sensor如图3所示,传感器共有3个接口,反面朝上时,从左至右依次是心率信号输出端(S端口)、电源输入端和接地端。电源输入端可接3.3 V或5 V直流电源,在此选择3.3 V电源。S端口输出为0～3.3 V的模拟信号,S端口与STM32单片机PA0口相连,通过STM32内部的ADC采样、转换,将模拟信号转换为数字信号,再经计算得出心率值[9]。

图3　Pulse Sensor图

血压传感器采用压力传感器US9116-006N,其是细微加工硅材料而成的传感器,外形是六脚双列直插式封装。它是一种较为理想的元件,无需补偿,且具有低滞后性、高可靠性和稳定性。将感应到的压力信号转换为相应的电压信号,且是线性对应的。

3.3WiFi通信模块

WiFi通信模块选用汉枫公司生产的HF-LPB100嵌入式WiFi模组,其提供了一种将用户的物理设备连接到WiFi无线网络上,并提供UART串口等接口传输数据的解决方案。该模块硬件上集成了MAC,基频芯片,射频收发单元,以及功率放大器;嵌入式的固件则支持WiFi协议及配置,以及组网的TCP/IP协议栈。HF-LPB100是一款一体化的802.11 b/g/n的低功耗解决方案。通过HF-LPB100模组,传统的低端串口设备或MCU控制设备均可方便地接入WiFi网络。

4软件设计

系统软件分为STM32为主控芯片的采集模块应用程序设计、WiFi模块通信参数配置和Android手机客户端的编写。

4.1采集模块应用程序开发

采集端的主要任务是采集被监护人的各项体征参数,将采集到的数据传送给WiFi模块,当模块检测不到被监护人的体征参数时将系统设置为休眠状态,当有参数被检测到时,系统被唤醒,同时开始数据的采集和传输。主程序软件流程图如图4所示。

图4　主程序软件流程图

4.2WiFi无线传输模块

WiFi模块在系统中起了关键性的作用,其是负责数据传输的中转站,模块通过串口接收到数据后,将数据通过无线发送给手机客户端和路由器,路由器与Internet相连,将数据发送给服务器,使得远程电脑和手机也能查看被监护人的体征参数,随时查看被监护人的身体状况,医生可及时获得病人的身体健康状况,根据获得的数据及时制定合理的治疗方案。

HF-LPB100无线收发模块可配置为3种网络类型:AP、STA、AP+STA。其中AP为无线接入点,是一个无线网络的中心节点,通常使用的无线路由器就是一个AP,其他无线终端可通过AP相互连接。STA为无线站点,是一个无线网络的终端,如笔记本电脑、智能手机、PDA等。本系统中选用第二种网络配置,如图5所示。

图5　HF-LPB100基本的无线组网结构

由于HF-LPB100支持串口透明传输模式,在与STM32通信时,只需做如下参数设置:无线网络参数,包括网络名称、安全模式、密钥;默认TCP/UDP连接参数,包括协议类型、连接类型(Server或Client)、目的端口、目的IP地址;串口参数包括波特率、数据位、校验位、停止位、硬件流控。

4.3手机客户端(APP)的编写

系统采集端采集到的数据在Android智能手机客户端显示,Android是由谷歌和开放手机联盟支持的一个手机软件开发平台,支持多种无线网络连接方式,如GPRS、WiFi、蓝牙等。通过以上方式,Android手机能够方便地通过无线网络进行通讯。同时,可访问Internet及网络上的各种服务器。Android框架还提供了对HTTP等通讯协议的支持。

Android智能手机客户端应用软件是在Eclipse平台使上使用Android SDK开发的,Eclipse是一个开源、基于Java的可扩展开发平台,就其本身而言,是一个框架和一组服务,用于通过插件组件构建开发环境。Android 应用程序是以许多Android API组件为基础进行开发的,当前活动程序Activity,是最常用的应用程序组件,可将其简单地理解成用户所看到的屏幕,称之为“活动”,用于处理程序的整体性工作,对onCreat()、onStart()、onRestart()、onResume()、onStop()、onDestory()等方法的调用实现了运行、开始、暂停、停止、销毁等状态。例如触摸屏幕、监听Button按键,显示图像和启动其他Activity。根据系统功能需求,客户端软件在启动时向后台服务程序请求被监护者的体征数据,并将数据体现在ListView中,这样就方便使用者看到自己的健康数据,同时软件还可通过菜单查询按键向使用者提供以往的健康数据,从而达到更好地监控健康状态的目的,开发的应用软件如图6和图7所示。

图6　客户端显示界面

图7　客户端菜单显示界面

5测试结果

经过反复调试,测试系统运行正常,并对系统测试数据和仪器实测数据进行对比,表1和表2为1天内对同一被监护对象所测的5次数据。通过实验数据对比发现,该系统可稳定运行,STM32强大的数据处理能力为体温、心率和血压数据的采集和发送提供了重要保证。串口(UART)转WiFi数据传输模块的利用,大幅缩短了无线WiFi网络的开发时间,Pulse Sensor心率传感器将光电容积法作为心率及脉搏的测量方法,使开发更简单、可靠[10-12]。

6结束语

针对当前的健康监护系统以及远程医疗系统不利于在家庭中使用的问题,提出了一种基于WiFi的家庭健康监护系统,该系统在WiFi无线网覆盖下,可实现对被监护者体征参数的自动化采集和传输,其不仅用于被监护的病人,处于亚健康状态的人群以及老年人均可使用,在发现测量数据超出正常范围时,可及时就医。测试表明,该系统运行可靠稳定,测量误差较小,可用于家庭的日常监护。

表1　体征参数监测数据

表2　体征参数监测数据

参考文献

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[11]姚尚朗,靳岩.Android开发入门与实践[M].北京:人民邮电出版社,2013.

[12]上海汉枫电子科技有限公司.HF-LPB100低功耗嵌入式WiFi模组用户手册[M].上海:汉风科技有限公司,2011.

Home Health Monitoring System Based on WiFi

REN Shengnan

(School of Information and Control Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710000,China)

AbstractA wireless home health monitoring system based on WiFi is designed to provide better medical service.The system uses the WiFi communication solution based on HF-LPB100 for the collection of temperature,heart rate and blood pressure data,which are sent to the server and stored in the WiFi wireless module.Family members and doctors can monitor the physical parameters of the monitored personnel at any time by the smart phone.The realization of the software and the hardware of the system are described in detail.The detailed design and test prove that the practical system has small measurement error and provides doctors with a reliable basis of further treatment.

KeywordsWiFi;STM32;health monitoring;Android

中图分类号TN926+.24;TP277

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)02-048-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.013

作者简介:任胜楠(1989—),女,硕士研究生。研究方向:检测技术与自动化装置。

收稿日期:2015- 06- 23