基于微信公众平台的移动血压监护系统的设计*

王金海，于双，国海丁，王慧泉

（天津工业大学电子与信息学院，天津300387）

1 引 言

随着现代生活节奏的加快和我国老龄化程度的增高［1-2］，心血管等慢性病日益增多。在2016年“十三五”规划纲要中明确指出，高血压等慢性病在很大程度上影响了民众的生存质量，做好慢性病防治，是推进我国建设的一个关键因素，特别是边远地区的农村，由于受地域限制，智能移动血压监护越来越受到人们的关注［3］。由于3G、4G和无线网络技术的迅速发展，移动终端上的健康服务逐渐成为推动智能移动监护的一个重要助力［4］。随着2012年微信公众平台上线，为个人和企业提供了一个业务服务与用户管理能力的全新服务平台，凭借微信庞大且成熟的用户群体和其独特服务方式，微信公众平台迅速被大众接受，加之智能移动终端，给智能移动血压监护系统的发展提供一个新的方向。尽管市面上已有各类的可穿戴监护设备［5］，但是大部分产品所提供的只是运动计步、卡路里消耗、热量计算等功能，而忽视了用户的血压这一重要生理参数，相比于传统健康监护仪存在着的一些问题，长时间动态实时监护和用户网络体验好的的核心功能需求越来越受到市场的重视［6］，这也是对慢性病有效管理的一种长效机制。

本研究主要利用脉搏波传导时间（PWTT）间接地得到血压值的原理［7-14］，旨在设计出一套基于微信公众平台和嵌入式技术相结合的移动血压监护系统。该系统为每个用户设置一个ID，用户可以通过Internet将心电信号和脉搏信号上传至中心服务器相对应的ID上，在中心服务器上建立单一的PWTT-BP模型，从而精准的计算出其血压值，利用微信公众平台作为客户端实施远程监护和查看监护结果，具有方便快捷、简单可靠等特点，提高了用户健康数据的网络交互性和共享性，可以为家庭生活环境中的患者、老年人提供移动实时健康监护的功能。

2 系统整体设计

本系统由移动采集端、中心服务器、移动监护端构成，系统总体结构见图1。该系统的移动采集终端采用美国Microchip公司 （Microchip Technology）的PIC32MX150F128芯片作为主控制器，可采集用户的心电、脉搏等重要生理参数信息，数据在此处理分析后通过Internet上传至中心服务器，在中心服务器上利用PWTT计算出血压值。中心服务器通过微信公众平台的接口与微信服务器对接。用户添加本系统的微信公众号后，使用微信客户端输入号码ID，查询由中心服务器数据库上血压监护系统提供的监护数据和结果，从而实现远程血压监控功能。

图1 系统总体结构图Fig 1 The overall structure system

3 微信平台设计极其关键技术

微信公众平台是微信的一个自媒体平台功能模块，是微信的一个重要组成部分，用户可通过登录微信公众平台网站，进行微信公众账号注册。微信公众平台的开发分为编辑模式和开发者模式。前者是通过界面编辑来设置开发选项，后者是使用提供的应用程序接口，以实现自动回复，获取订阅者和自定义菜单等功能的开发。由于微信公众平台信息分享的及时性、关注用户数量庞大、信息展现形式丰富、接口强大、易于开发等特点，为智能移动健康监护系统的研发设计提供一个新的切入点。

微信公众平台的开发者可利用微信提供的公众平台开发接口进行公众号创建、获取接口权限等开发操作。公众号主要通过公众号消息会话和公众号内的网页来为用户提供服务。由于微信不仅具有聊天等社交功能，而且微信也扮演着浏览器的角色，用户可以打开会话中包含的网址。本系统中的许多复杂的业务场景就是由运行于中心服务器上的血压监护服务系统通过网页形式为微信用户提供服务。

3.1 血压监护服务系统设计

血压监护服务系统运行于中心服务器，主要由血压数据查询、血压电子档案、血压健康提醒以及其他服务四大功能模块构成。用户通过关注本系统的微信公众号来获取消息服务和血压监护服务系统提供的服务，在公众号会话中进行操作。系统的功能模块见图2。

图2 血压监护服务系统功能结构图Fig 2 The function structure diagram of blood pressure monitoring service system

血压数据查询功能模块为用户提供实时血压监护数据查询和历史血压监护数据查询。血压电子档案功能模块为用户提供私人健康档案和电子病历服务。针对用户超标的生理参数，血压健康提醒功能模块为用户提供提醒。此外，系统还为关注了本系统的微信公众号的用户提供自动聊天回复和相关网站链接等功能。

3.2 微信接入

首先进入微信公众平台的后台开发模式，然后对中心服务器的通信URL地址和用户身份识别令牌（token）进行配置。当开发者第一次提交中心服务器的接入申请时，带有4个参数的HTTP GET请求将发送到中心服务器的通信URL上，这四个参数分别是签名（signature）、时间戳（times-tamp）、随机数（nonce）和随机字符串（echostr）。首先在微信服务器预留的Token对后三个随机数与进行字典序排序，然后拼接成字符串进行sha1加密得到校验串与签名（signature）进行字符串比较，若二者一致则说明此条消息来自微信服务器。当验证成功以后，中心服务器返回原样的随机字符串（echostr），则说明对接成功。当用户发起微信请求时，微信服务器将该请求封装成XML格式并通过HTTP POST转发给中心服务器。每次当中心服务器收到用户消息时，微信服务器的HTTP POST的请求串上都会带上3个参数，分别是签名（signature）、时间戳（timestamp）、随机数（nonce），中心服务器仍可通过上述加密方法生成校验串来验证消息的真实性。

3.3 消息推送与回复

当用户使用微信向公众账号发送消息时，微信服务器首先会将该消息转换为特定的XML结构信息，然后对此XML结构信息进行解析，解析完毕该信息将通过微信服务器POST到中心服务器上，目前可以推送文本消息、图片消息和链接消息。关于消息的回复，首先针对于每一个POST请求在其响应包中返回特定XML消息结构，根据该消息是否为文本、图文、语音、视频、音乐类型对该消息进行回复响应，如果在五秒的时间内微信服务器收不到响应，则断开该连接。

4 微信平台设计极其关键技术

为了满足移动采集端在功耗、性能、体积等方面的要求，移动采集端需要具有成本低、能效高、功耗低、集成度高、网络功能强等特点。综合以上因素，移动心电脉搏终端采用PIC单片机的硬件设计，移植运行嵌入式Linux系统。

4.1 硬件设计

移动采集端的主控制器采用Microchip公司QFP封装的PIC32MX150F128，使用该芯片可降低终端PCB的设计难度，能够很好的满足移动采集终端硬件设计需求。为减小分立元件设计带来的设计难度和引进的干扰，移动采集终端的生理参数采集模块采用集成芯片设计。心电采集模块包括美国德州仪器（TI）公司ADS1292R心电采集芯片和氯化银传感器生物电极，ADS1292R通过 SPI接口与PIC32MX150F128进行数据通信。脉搏采集模块选用TI的低功耗医用集成模拟前端AFE4490来设计，AFE4490连接了一个波长为660 nm红光LED和一个波长为940 nm红外光LED以及一个光电接收器，用于对光电的采集，通过SPI接口与智能移动健康终端主控MCU通信。终端的硬件结构见图3。

图3 智能移动健康终端硬件结构图Fig 3 The hardware structure diagram of intelligent mobile terminal health

4.2 软件设计

由于移动采集端涉及数据采集与传输、Internet连接、人机交互等多任务调度，为充分体现移动采集终端的监护性能和良好的扩展性能，本设计使用开源的嵌入式Linux来构建终端系统。其引导加载程序由遵循GPL条款的开源项目U-boot移植而来，移植使用Linux 2.6.32.2版本的内核和YAFFS2根文件系统。在编译内核时，将各生理参数采集芯片驱动编译进内核。图4为软件设计的基本流程。

5 系统测试与结果分析

心电和脉搏波采集端实物见图5，图5（a）为采集终端正面图，主芯片为PIC32MX150F128，光电脉搏采集芯片为 TI的 AFE4400，心电采集芯片ADS1292R，并留出了OLED显示接口用于扩展；图5（b）为采集终端的背面图，中央安置器件为多色发光LED和光电采集器。

心电和脉搏的采集处理的同步性对准确提取PWTT有重要作用，为检测心电和脉搏波采样时间同步性能，选用SDG1020型信号发生器产生的频率为5 Hz，幅值为10 mv的方波信号，将分别接入心电信号输入端和脉搏信号输入端，其采样频率为2 KHz，其实验结果见图6，心电和脉搏信号采样时间同步性良好，满足设计要求。以实验室10名同学为样本，进行了移动血压检测实验，选择其中一个样本，图7为实时获取的心电和光电脉搏波波形，将其发送至中心服务器建模处理后，得到舒张压和收缩压结果。在微信客户端的查询历史血压信息，其输出信息见图8。其基本可以实现人体血压的连续动态检测，并基于微信公众平台实现信息的传输、显示和检测结果趋势的分析等，建立慢性病患者电子档案，以便家人与医护人员及时了解患者的情况，为其预防和治疗有重意义。

图4 移动采集端软件设计流程图Fig 4 The software design flow chart of mobile data acquisition terminal

图5 心电脉搏信号采集端Fig 5 The signal acquisition of ECG and pulse

图6 心电脉搏采样时间同步性检测Fig 6 The synchronous detection of ECG and pulse time sampling

图7 心电脉搏实时采集信号Fig 7 The real time acquisition of ECG and pulse signal

图8 微信端历史血压信息Fig 8 The history blood pressure information of WeChat

6 结束语

我们研制了一种基于微信公众平台的智能移动血压监护系统，该系统的智能移动采集端使用ARM架构的硬件设计，移植运行嵌入式Linux系统，从而实现人体血压这一生理参数的监护，并具有低功耗性和便携性的特点。通过接入微信公众平台，将系统与微信应用环境相结合，充分利用互联网强大的运算能力，建立单一个体的PWTT-BP模型，具有计算精确，传输安全快捷，设备成本低，便于升级和维护等优点，从而实现远程监护血压的功能，辅助医护人员对慢性病患者的治疗与日常管理。