物联网Android平台可穿戴医疗监控系统设计与实现

王 宇

(山西工程职业技术学院，山西 太原 030009)

物联网Android平台可穿戴医疗监控系统设计与实现

王 宇

(山西工程职业技术学院，山西 太原 030009)

结合物联网Android平台，设计并实现了一种具有手机监测报警功能的新型可穿戴医疗监控系统。采用ATmega16作为系统主控芯片，结合脉搏采集电路、体温采集电路、蓝牙通信电路和电源电路搭建硬件系统以实现人体体征参数脉搏和体温数据的实时监测，并通过蓝牙通信将数据实时传输到专用的Android APP上显示、记录和分析，如果体征参数超出正常范围将通过GSM网络向监护人发送报警短信。实验对比结果证明，该系统脉搏测量误差在2BPM以内，体温测量误差在0.1度以内，报警精准度达97%，具有较高的应用价值。

ATmega16；人体体征参数监测；Android APP；蓝牙通信；GSM网络

随着人们对生活质量要求的提高，对自身的健康状况越来越关注，环境温度与湿度通常是衡量存储环境一个重要参数[1,2]，体温、脉搏也是反应人体健康的重要参数。因此，本文基于物联网Android平台设计了一款低成本、高效能、可穿戴，可以对人体健康相关的体征参数—脉搏和体温进行监测及报警的医疗监控系统。本系统利用蓝牙无线通信技术将可穿戴设备采集到的人体体征参数传输到专用的Android APP上显示处理，实现人体健康体征参数的实时监测，对人们的健康监护具有重要意义。

1 系统设计

本系统由体征参数采集下位机和Android APP数据监测上位机组成，系统总体结构如图1所示。体征参数采集下位机以ATmega16为控制核心，由脉搏采集电路、体温采集电路和电源管理电路和蓝牙模块组成。数据监测上位机软件采用Android SDK+Java JDK7+Eclipse 6.0编写Android APP。

2 系统硬件设计

2.1 总体电路图概述

总体电路图如图2所示，本系统采用性能适中的ATmega16单片机，该MCU稳定性好，常用于工业和医疗电子设备中，足够实现可穿戴医疗监控系统的各个功能。脉搏传感器和体温传感器的输出引脚接入PCF8591T AD转换芯片模拟输入口，把传感器的模拟信号通过IIC接口(PB0、PB1)接入ATmega16单片机中，实现模拟信号到数字信号的转换，最后计算出相应的脉搏数据和体温数据。HC-05蓝牙模块采用透明传输方式，即Android APP通过蓝牙通道传送的数据都会由UART转发给单片机，反之单片机只要通过UART向蓝牙模块发送数据便可以将数据传送到Android APP中。可穿戴医疗监控系统中未使用到的IO口全部通过排针引出，作为预留硬件接口，以供后续添加其他人体特征采集传感器使用。

图1 系统总体结构图

图2 系统总体电路图

2.2 脉搏测量

脉搏检测采用光电反射式模拟传感器PulseSensor，其测量方法是光电容积法，基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率的不同。该传感器由光源和光电接收器两部分组成。当光源的波长为λ，光强为I0，根据Lambert-Beer定律，照射于指端时的透射光强I可表示为：

I=I0e-ε0C0L0e-εHbO2CHbO2Le-εRHbCRHbL

.(1)

其中，指端组织被分为三种成分：动脉血液中的氧合血红蛋白、还原血红蛋白以及皮肤、肌肉、静脉血等组织，三者等效浓度为CHbO2、CRHb、C0，三者吸光系数εHbO2、εRHb、ε0，固定波长的光源吸收系数为ε，L0为皮肤、肌肉等组织的光程，L为动脉血液光程。其中L0、C0及ε为固定值，而血氧浓度的变化会引起CHbO2、CRHb的变化，因此随着血氧容积的改变L成脉动性变化[4]。确定血氧浓度的重点就是用两个方程计算出CHbO2、CRHb，故PulseSensor的光源需要两个不同波长的发光管，根据实验及成本因素，选用SMC810和SMC660LED作为光源。

光电接收器选用环境光感受器APDS-9008，具有可靠性好、高灵敏度、杂散电容低等优点。光电变换器接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电接收器的电信号变化周期就是脉搏率。采用PCF8591T AD转换芯片将采集的脉搏数据转换为相应的数字信号后通过IIC协议发送给ATmega16单片机接收处理。

2.3 体温测量

基于对成本、尺寸的考虑，该监控系统体温传感器采用的是深圳Med-Linket公司的医用传感器YSI-400系列，具有精度高，反应快的特性[5,6]。37摄氏度时的阻值误差范围仅仅为50 Ω，阻值精度高达0.16%，远远高于一般1%的热敏电阻。这保证了该热敏电阻在人体体温测温范围内实现高精度测量。传感器热敏电阻阻值在1.5 k左右，利用电阻分压原理将热敏电阻与一个精确电阻R1串联，就能把热敏电阻的电阻值变化转换为电压值变化。然后PCF8591T AD转换芯片采集回来连续电压变化信号，并转换为数字信号再通过IIC协议发送给ATmega16单片机接收处理转换为体温数据使用。

3 软件设计

系统软件设计分为下位机单片机软件和上位机AndroidAPP软件两部分。

3.1 单片机软件设计

下位机软件实现人体体征参数脉搏和体温数据的采集和传输，其流程图如图3所示，系统运行开始，数据采集主控板上电后，首先进行UART和PCF8591T AD的初始化，UART初始化主要用于与HC-05蓝牙模块进行通信，PCF8591T AD初始化主要用于将ATmega16的IIC引脚起始电平状态按IIC通信协议设置。

图3 单片机软件流程图

3.2 AndroidAPP软件设计

数据监测上位机AndroidAPP软件采用Android SDK+Java JDK7+Eclipse 6.0编写[7]，主要实现数据的接收显示以及判断处理。首先初始化主界面UI的控件，将Android JAVA功能文件中定义的控件与XLM界面文件中的控件连接在一起，之后需要设置报警单选框和功能按钮的监听，即定义当这些功能控件被点击之后的响应函数。用户通过APP连接上单片机主控板蓝牙后，系统按照每秒一次的频率自动获取脉搏体温数据。Android APP接收完一次脉搏和温度数据之后结合当前日期时间信息保存在手机里并实时显示。

同时AndroidAPP开始对采集到的数据进行分析，如果连续时间内检测到数据均超过用户设定的范围并且报警使能单选框被选中便会文本提示，响铃报警并获取报警电话编辑框的监护人电话发送短信通知监护人。Android APP软件界面如图4所示。

图4 Android APP软件界面

Android APP通过Handler监听蓝牙信道的变化，如果监听到MESSAGE_READ信号，表示有数据发送过来，此时需要取出全部数据，并进行分割处理，将实时温度和时间信息保存，当用户选中界面上的允许报警的单选框后，APP分析出用户体温连续时间内不在之前设置的正常范围内，便进入报警处理，并向监护人报警电话编辑框中的报警电话进行报警短信发送，通知监护人用户体温异常。

4 系统测试

为了验证该系统采集的脉搏和体温数据的准确行及可靠性在实验室进行系统测试，随机挑选5人分别用本设计与市场上成熟的脉搏测试仪力康PC60NW和医用体温计对脉搏和体温进行测量。

结果如表1所示，经过分析得出结论，可穿戴医疗监控系统测量的脉搏和体温数据与成熟产品测量的数据偏差很小，脉搏数据的测量误差在2BPM以内，体温数据的测量误差在0.1度以内，报警精准度达97%，满足系统设计要求。

表1 测量结果

5 结论

本文研究的基于物联网的可穿戴医疗监控系统是一个可应用医疗、民用或者老人院等场合的高性能数据监测创新型可穿戴作品，开发出相应的Android APP实现脉搏和体温实时采集、蓝牙无线传输、数据记录、数据分析报警、设置范围等功能，具有检测精度高、可穿戴、易于后续扩展，有很强的市场应用价值。

[1] 戴善溪，张效民.基于ZigBee技术的数字式温湿度监测网络设计[J].国外电子测量技术，2010，33(2)：47-49.

[2] 姚传安.国外无线温湿度传感器网络设计[J].计算机测量与控制，2007(15)：168-187.

[3] 赵亭.基于车联网的汽车智能防盗系统设计[J].电子技术应用，2015(3)：61-64.

[4] 郭维.穿戴式人体生理参数监测系统的研究与实现[D].吉林：吉林大学仪器科学与电气工程学院，2012.

[5] 曹靖华.基于无线传感器网络的远程医疗监护系统研究[D].上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2008.

[6] 毕宗伟，刘林密.基于C8051F002的温度控制系统设计[J].电子测量技术，2009(8)：81-84.

[7] James Talbot，Justin McLean. Learning Android Application Programming[M].United States of America，2012.

Design and Realization of Wearable Health Monitoring System Based on the Internet of Things Android Platform

Wang Yu

(ShanxiEngineeringVocationalCollege,TaiyuanShanxi030009,China)

Based on the internet of things Android platform, a new wearable medical system with monitoring and alarming functions is designed and implemented. By using ATmega16 microcontroller as the system master chip and combining with pulse collection circuit, temperature acquisition circuit, Bluetooth communication circuit and power circuit, the hardware circuits is built to realize the real time monitoring of pulse and body temperature data. The sign parameter is transported in real-time to private Android APP by Bluetooth communication to be displayed, recorded and analyzed. Alarm messages will be sent to guardian while sign parameters have exceeded normal range by GSM network. The experimental results show that the pulse measurement error is less than 2BPM; temperature measurement error is less than 0.1 degree and the alarm accuracy is up to 97%. The system has great significance in practical application.

ATmega16; human signs parameter monitoring; Android APP; Bluetooth communication; GSM network

2017-04-13

王 宇(1982- )，女，讲师，硕士，主要研究方向：物联网、嵌入式系统开发、信号处理。

1674- 4578(2017)03- 0027- 04

TP277

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