基于Android的腿矫正与传输监测系统

潘勇强 候天宇 殷爱菡 成楠

摘 要：文中设计一款针对腿部康复自我训练的物联网传输监测系统，通过病人手机APP连接一套腿部矫形器，并发送指令控制矫形器，对腿部进行弯曲度与频率的调节做康复运动。该系统可辅助病人进行腿部康复矫正，APP由Android部署，通过蓝牙链路发送指令。Arduino UNO单片机是系统核心控制器，利用其接收指令，控制矫形器运动。Tiny Web DB是云空间，连接各类传感器，记录用户运动数据，并实时将数据传输给医师，方便医师远程监测病人的数据信息与康复状态。

关键词：腿矫正;康复训练;手机APP;Android;传输监测;云空间

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）04-00-04

0 引 言

截瘫是脊髓受伤而引起下半身瘫痪的主要原因[1]。现阶段，我国截瘫患者约有3 069万人，约占残疾总人口的37%[2]。由于下半身失去知觉，患者会逐步丧失保持身体姿势的能力，大多数截瘫患者在患病后希望能够进行腿部锻炼以防止截瘫并发症的发生[3]。因此，对截瘫患者进行常规的运动训练非常必要。国内外现有资料显示，当今瘫痪康复性训练的主要方法是截断性药物介入，佩戴固定肢具并辅助以人工针灸作业理疗。但在治疗过程中，病人普遍出现了一定的药物副作用反应，且在医师人工针灸理疗过程中，极大地浪费了人力资源，不利于推广[4-5]。针对国内外的发展现状，本文设计一款针对腿部康复自我训练的物联网传输监测系统[6]，即通过病人手机APP连接一套腿部矫形器，并发送指令控制矫形器，对腿部进行弯曲度与频率的调节做康复运动。该系统采用机械辅助腿部运动的模式取代传统人工作业理疗模式，更为精确便利。在APP设计上，插入云空间模块，允许用户在数据库中持久存储运动数据，并反馈至网络与专业医师共享，方便医师通过信息共享的物联网系统了解病人理疗状态，并及时制定下一步运动计划，可节约大量的人力资源。

1 结构设计

本文系统由硬件部分、软件应用程序及数据传输链路三部分组成。Arduino UNO单片机控制器与腿部矫形器是该系统的硬件，APP Inventor 开发组件与Tiny Web DB云端数据库是该系统的软件工具，蓝牙传输模块与脉搏传感器组成了该系统的传输链路模块。系统组成如图1所示。

1.1 硬件模块

DF-Bluetooth V3蓝牙模块的作用是进行透明串行数据的传输，同时负责Android设备与Arduino 单片机之间的通信。蓝牙模块包含“STATE LINK”显示连接状态，以及2.4 G～2.48 GHz经许可的ISM波段天线传输的高质量频率信号与DIP开关设置状态。此蓝牙模块与任何Android设备均能兼容。DF-Bluetooth V3蓝牙模块如图2所示。

Arduino UNO R3单片机是腿部矫形器的微控制器，它有6个模拟引脚（引脚A0～A5）和14个数字输入与输出引脚（引脚0～13），数字端口的6个引脚可用作PWM输出。本文系统中，脉博传感器输入连接到模拟引脚端口，蓝牙模块和电机驱动器连接到数字引脚端口，其工作电压一般为3.3～5 V。Arduino UNO R3单片机模块如图3所示。脉搏传感器是一个即插即用的心率传感器。本文系统中，脉搏传感器经过Arduino UNO R3控制器的传输在Android应用程序上显示患者脉搏数据及心率图。脉搏传感器模块如本文系统中，腿部矫形器由金属板架以及驱动器组成，由12 V铅酸可充电电池提供动力，它由Arduino UNO控制，并以MD30C 30 A直流電机驱动器驱动矫形器工作。腿部矫形器模块如图5所示。

1.2 软件系统

APP应用是系统程序基于网络的部署，应用的开发程序[7]是MIT APP Inventor 2。APP Inventor是提供给Android的开源Web应用平台，由美国麻省理工学院维护技术。麻省理工学院的APP Inventor 2（BETA）平台由Google APP Server，APP Inventor Designer和块编辑器组成，提供免费的基于云的服务，程序员可使用Web浏览器访问。APP Inventor开发软件如图6所示。

1.3 BPM数据

BPM用于记录腿部矫形器运动的开始与结束期间用户捕获及手动插入的每分钟节拍数，也是整个系统的核心部分。用户运动时，手机APP通过脉搏传感器记录用户的脉搏跳动频率，并将其转化为可显示的心率图与数值进行实时显示。与此同时，APP中的数值计算模块记录腿部矫形器单次运动的时间，将其乘以运动速度可得出腿部矫形器在该频率内的运动弧度ω，其与BPM数据一同反馈给医师，构成病人运动状况的主要参考数据。在APP上，用户可选择单击“检查脉冲率”按钮读取BPM数据与运动弧度值，此时出现一个新窗口，显示脉搏传感器记录的数据。用户也可单击显示屏上的“平均BPM”按钮，用于计算BPM读数的平均值。BPM数据记录如图8所示。

由于运动日期与时间都需要及时由医师记录，因此BPM数据必须存储在基于Web的数据库中。Tiny Web DB是一个APP Inventor组件，允许用户将数据持久存储在可用的数据库网络中[8]。因此本文系统使用Tiny Web DB数据库，用于搭建腿部矫形器的数据库。这是一个临时网站，存储平均BPM、运动日期与时间等用户数据。启动时，APP应用程序确定用户标签以登录系统，标签是唯一的ID号，每位截瘫病人将有不同的标签号码。医师也可使用病人的标签号登录以便实时掌握病人的康复状态，方便进一步诊疗。Tiny Web DB数据库如图9所示。

2 系统流程

整个系统各模块间的联通如图10所示。由手机终端APP向控制器发送运动指令信号，同时手机终端自动登录云端数据库账号，数据库接收数据，控制器将运动命令通过蓝牙链路传输至腿部矫形器，腿部矫形器进行辅助运动，控制器将记录用户运动数据的命令发送至脉搏传感器。当脉搏传感器记录了用户信息后，便将用户数据信息传输至控制器，控制器将账号数据信息存储在Tiny Web DB数据库中，方便医师参考。

应用程序布局如图11所示。用户选择APP应用程序，打开Android设备的蓝牙连接，点击“连接”按钮，弹出一个新窗口。在新窗口中可检测到各种可用的蓝牙连接，找到适当的蓝牙连接并连接到DF-Bluetooth V3。此时，应用程序即可控制运动腿部矫形器。列表选择器用于显示蓝牙与Android设备配对是否连接成功，若蓝牙连接与DF-Bluetooth V3成功配对，则选择器中的绿色文本将通知“LOE 进入”;若蓝牙连接未成功配对就使用DF-Bluetooth V3，则选择器中的红色文本将通知“LOE禁用”。

连接成功进入APP界面后，单击每个按钮，可显示对应的应用窗口，此功能的日期、时间与Android相符，用户需验证日期与时间。主界面上有停止、前进与后退三个主要控制按钮，用以控制腿部矫形器运动。若单击“停止”按钮，则腿部矫形器停止移动;若单击“前进”按钮，则腿部矫形器向上移动;若单击“后退”按钮，则腿部矫形器向下移动。用户也可通过单击不同的按钮继续锻炼。

3 测试结果

对整个系统进行测试，APP工作状态及各按钮功能显示界面如图12所示。

蓝牙连接：用户需在Android设备上激活蓝牙功能，图12中的按钮显示了蓝牙连接的功能。若未连接成功，则STATE的LED将一直闪烁，GUI以红色文本通知“LOE禁用”;若连接成功处于link状态，则LED亮起，GUI以绿色文本通知“LOE进入”。

模式选择：用户需发送“停止”“前进”或“后退”信号，用于控制腿部矫形器，选择“停止”，腿部矫形器停止移动;选择“前进”，腿部矫形器向前移动;选择“后退”，腿部矫形器反向移动。

检查脉冲频率：用户可单击“检查脉冲频率”按钮检查其当前脉冲读数，单击按钮后，脉冲频率屏幕显示当前运动的脉搏值。

平均BPM：用户需输入练习开始与结束时的脉搏值，通过单击“平均BPM”按钮确定平均脉率读数。

微小的Web数据库：用户将提交的脉冲频率数据上传至网络数据库，提交的数据可在网上查看与分析，用户或医师可通过插入标签获取数据。

4 结 语

本文开发了基于Android的腿矫正与传输监测系统，该系统能够帮助医师在病人康复过程中检测病人控制使用矫形器的过程及数据信息。同时，Tiny Web DB，APP Inventor界面与Android平台能够很好地帮助用户管理系统。目前，该系统处于初步开发阶段，亟需改善，后期可对整个系统进行更复杂的控制与升级。

参 考 文 献

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