基于Android的智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備開發(fā)

陳 群，蔡桂煜，王吉生，陳惠明，陳泉成，劉持標(biāo)

(三明學(xué)院 信息工程學(xué)院 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用福建省高校工程研究中心，福建三明365004)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展，人們的生活得到了顯著的提高。在如今物質(zhì)充裕的社會(huì)，人們攝取食物的種類越來(lái)越多，體重也不斷增加，相應(yīng)而來(lái)的健康問題也接連發(fā)生。在人們常吃的食物中，特別是肉類中，含有大量的膽固醇，隨著歲月的積累，這類物質(zhì)不斷地增加，造成了大量的肥胖癥狀及高血壓。而人類在繁忙的工作學(xué)習(xí)中，很難抽出時(shí)間到醫(yī)院進(jìn)行健康檢查，甚至連自己的身體狀況也一無(wú)所知。隨著越來(lái)越多的人死于肥胖和高血壓相關(guān)的疾病，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注自己的體重、身高、血壓及心率等生理特征，希望及早得到自己身體健康方面的預(yù)警。

當(dāng)前，人體的身高一般是由人工使用尺子來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。體重的測(cè)量一般是通過機(jī)械稱重設(shè)備或電子稱重設(shè)備[1]來(lái)完成的。電子稱重設(shè)備通過使用壓力傳感器收集體重的模擬電壓值，經(jīng)過AD芯片轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生體重值信號(hào)的數(shù)字信號(hào)的值，最后根據(jù)參考值，算出精確的實(shí)際體重值。如今，醫(yī)療設(shè)備中測(cè)血壓方式，大多數(shù)屬于基于柯氏法的氣壓式血壓計(jì)，此類方式需要測(cè)量者通過設(shè)備聽取動(dòng)脈的聲音，根據(jù)聲音產(chǎn)生和消失的方式來(lái)確定收縮壓和舒張壓值。該血壓計(jì)除了專業(yè)人士通常不容易使用，普通人測(cè)量有諸多不變?？率戏ㄑ獕簻y(cè)量存在諸多的缺陷：一是不好判斷舒張壓產(chǎn)生的時(shí)間；二是這種方式憑人的感覺器官，普通人很難測(cè)準(zhǔn)血壓。在電子血壓計(jì)[2-5]發(fā)展的歷程中，曾經(jīng)有科氏法電子血壓計(jì)的產(chǎn)生，但是由于發(fā)現(xiàn)血壓計(jì)不穩(wěn)定、可靠性差，所以無(wú)法得到很好的推廣。

當(dāng)前所使用的測(cè)取身高、體重、血壓和心率的設(shè)備存在著幾個(gè)問題。第一，一般情況下這4個(gè)生理參數(shù)的測(cè)量分別是由不同的設(shè)備在不同的時(shí)間來(lái)完成的，實(shí)施起來(lái)比較耗時(shí)和操作麻煩；第二，由不同設(shè)備所測(cè)取的這4個(gè)生理數(shù)據(jù)難以進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)和關(guān)聯(lián)；第三，目前設(shè)備所測(cè)量的這4個(gè)生理數(shù)據(jù)還不能及時(shí)統(tǒng)一地存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；第四，目前的設(shè)備和系統(tǒng)還不能及時(shí)對(duì)當(dāng)前及歷史身高、體重、血壓和心率生理數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析及給出科學(xué)建議。

針對(duì)當(dāng)前所存在的4個(gè)問題，我們開發(fā)了基于Android手機(jī)[6]的智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)。該智能設(shè)備所集成的手臂式電子血壓計(jì)模塊具有小型化、低功耗、智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)，它克服了水銀血壓計(jì)不便測(cè)量的缺點(diǎn)，可以同時(shí)測(cè)取血壓及心率；而且在測(cè)量體重的同時(shí)，采用超聲波傳感器測(cè)量身高，比傳統(tǒng)的測(cè)身高設(shè)備更加方便。智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備及系統(tǒng)很好地解決了傳統(tǒng)的身高、體重、血壓和心率測(cè)量設(shè)備歷史數(shù)據(jù)難以存儲(chǔ)、生理數(shù)據(jù)難以關(guān)聯(lián)及大量歷史生理數(shù)據(jù)難以分析的問題；所制作的智能設(shè)備與Android手機(jī)結(jié)合，可以實(shí)時(shí)高效測(cè)量及處理人體健康相關(guān)的體重、血壓、心率及身高數(shù)據(jù)。同時(shí)，所制作的智能設(shè)備所使用的溫度傳感器模塊可以實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，該溫度數(shù)據(jù)一方面可以用來(lái)校正體重、身高及血壓傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，另一方面還可以將人體生理健康數(shù)據(jù)同環(huán)境溫度進(jìn)行關(guān)聯(lián)。所開發(fā)的設(shè)備及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人性化，智能化的要求，可方便高血壓患者以及中老年人使用；再者，對(duì)所存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以形成個(gè)體的健康情況報(bào)告，它將為改善個(gè)體的健康給出科學(xué)性建議。

1 基于健康監(jiān)控設(shè)備的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

如圖1所示，結(jié)合本智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備的硬件、智能手機(jī)、Android APP、傳輸網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)服務(wù)中心可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大特色是實(shí)現(xiàn)了人體身高、血壓、心率、體重?cái)?shù)據(jù)及環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)記錄以及可進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的分析。通過Android智能手機(jī)對(duì)家庭智能健康監(jiān)控一體機(jī)設(shè)備進(jìn)行控制，來(lái)自很多家庭的實(shí)時(shí)監(jiān)控人體生理數(shù)據(jù)可以通過智能手機(jī)和傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)服務(wù)中心。醫(yī)療監(jiān)控中心的醫(yī)護(hù)人員或用戶可以通過登錄服務(wù)器，隨時(shí)隨地了解體重、血壓和心率的變化曲線；如果發(fā)現(xiàn)被監(jiān)控人員出現(xiàn)異常，可采取搶救措施。被監(jiān)護(hù)者的親屬等也可以登錄監(jiān)護(hù)服務(wù)器隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)者的健康狀況。

依據(jù)該健康監(jiān)控系統(tǒng)的組成，在本論文的以下各部分分別對(duì)智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、Android客戶端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、Android客戶端與服務(wù)器端無(wú)線數(shù)據(jù)通信和 Web服務(wù)器端的智能健康信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)來(lái)進(jìn)行論述。

2 智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了制作智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備，首先利用Protel99se軟件來(lái)設(shè)計(jì)該設(shè)備的電路板的電路原理圖。在Protel99se上畫電路原理圖之前，要先畫出設(shè)備的SCH （Schematic：SCH）元件庫(kù)和PCB（Printed Circuit Board：PCB）元件庫(kù)。當(dāng)元件庫(kù)都畫好之后就可以開始畫電路原理圖。 將畫好的原理圖轉(zhuǎn)化成PCB電路圖，然后進(jìn)行布局、走線和鋪銅。圖2是布局后的PCB圖，圖3是走線后的PCB圖。

圖1 基于智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備的多用戶多家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)

圖2 布局后的PCB圖

圖3 PCB電路圖布局后進(jìn)行走線

智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備采用雙層制板制作，板的兩面都有線路。在布線的時(shí)候線的寬度要盡量寬，避免在蝕刻板的時(shí)候線路斷開。走線要盡量簡(jiǎn)單，便于后期調(diào)試。板的正面焊接體積較大的元器件，如氣壓傳感器，溫度傳感器和繼電器等。板的背面主要焊接一些小型的器件，如電阻，電容和三極管等。

PCB電路圖畫好之后，就可以將電路圖打印到硫酸紙上。PCB電路圖打印出來(lái)后的樣式如圖4和圖5所示。將打印出的電路圖緊貼在未曝光的銅板上并用透明玻璃蓋緊。接下來(lái)就可以進(jìn)行曝光，在曝光機(jī)或者強(qiáng)光下照射90 s左右即可。硫酸紙上的黑色線路會(huì)阻礙光線照射到電路板上，從而有線路的地方不會(huì)被氧化。曝光好之后，就可以進(jìn)行顯影。往槽里加入適量的水和顯影劑，比例是1∶2，并進(jìn)行加熱。將曝光好的電路板用夾子夾緊放入槽里，每隔30 s左右輕搖下電路板，直至線路清晰顯現(xiàn)后拿出，并放在清水里輕輕過一下水，再放到通風(fēng)的地方晾干后就可以蝕刻。在蝕刻槽里將蝕刻劑用水溶解后加熱，將板放入蝕刻槽中。在蝕刻的過程中每隔30 s可輕搖一下板子，并觀察板的蝕刻情況，直至板上的線路周圍的銅變沒了，蝕刻過程就完成了。

圖4 雙層電路板的正面

圖5 雙層電路板的背面

把做好的電路板用打孔機(jī)進(jìn)行打孔，打好孔后把相應(yīng)的器件裝上去，并用電烙鐵焊接。在焊接大尺寸的器件，如繼電器、AD模塊和稱重傳感器時(shí)，可以盡可能的將孔打大一些。當(dāng)模塊剛好放進(jìn)去的時(shí)候就可以在另一面用錫把孔填充掉。在焊接小器件，如貼片電阻、貼片電容和貼片三極管時(shí)，由于其體積小不宜焊接，所以可先在板上的貼片處的一端先涂點(diǎn)錫，然后用尖頭鑷子把貼片器件夾到有錫的那端對(duì)好，再用焊烙鐵焊一下即可。圖6為焊接后的智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備電路板的正反面及整機(jī)示意圖。在圖6中，1為底座，2為稱重臺(tái)，3為直桿，4為套桿，5為控制板，6為線纜，7為腕帶，8為滑桿，9為橫桿，10為超聲波傳感器探頭。

圖6 焊接后的健康監(jiān)控設(shè)備電路板的正反面及整機(jī)示意圖

3 Android客戶端軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)行Android客戶端軟件時(shí)，需要進(jìn)行登錄。登錄成功后，智能手機(jī)就可以打開藍(lán)牙，所搜藍(lán)牙與健康監(jiān)控設(shè)備上的藍(lán)牙模塊進(jìn)行配對(duì)，并建立藍(lán)牙Socket連接。在健康監(jiān)控設(shè)備中，設(shè)備與手機(jī)之間的藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)代碼如圖7所示。 設(shè)備所具有的藍(lán)牙模塊為HC-06串口藍(lán)牙模塊，它有VCC/GND/RXD/TXD4個(gè)引腳，該藍(lán)牙模塊支持設(shè)備與Android手機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。 藍(lán)牙模塊將健康監(jiān)控設(shè)備的TTL信號(hào)轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙2.0協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌?，支持全雙工傳輸數(shù)據(jù)使用，此模塊默認(rèn)波特率為9600，不需要軟件或者硬件流控制，一個(gè)開始位，無(wú)校驗(yàn)位，設(shè)置完成后是從模式。Android手機(jī)可主動(dòng)搜索此設(shè)備，與其配對(duì)，配對(duì)成功后，手機(jī)和設(shè)備間就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖7 智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與手機(jī)藍(lán)牙通信的代碼

Android智能手機(jī)客戶端軟件主要包括登錄界面、用戶操作界面和功能操作界面三個(gè)模塊。登錄界面和用戶操作界面如圖8所示，它含有數(shù)據(jù)測(cè)量、歷史數(shù)據(jù)和曲線圖等功能模塊。血壓心率測(cè)量和身高體重測(cè)量功能操作界面如圖9所示。所測(cè)量的體重、血壓、心率、身高和溫度可被及時(shí)上傳給遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)服務(wù)中心的服務(wù)器。

圖8 Android客戶端登錄與用戶操作界面

圖9 測(cè)量血壓心率和測(cè)量體重身高的功能操作界面

4 Android客戶端與服務(wù)器端無(wú)線數(shù)據(jù)通信

智能手機(jī)與數(shù)據(jù)服務(wù)中心Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信可以通過WiFi或3G/4G無(wú)線通信方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。Android客戶端通過使用異步網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸框架AsyncHttpClient來(lái)實(shí)現(xiàn)手機(jī)與Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。手機(jī)客戶端將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用GSon打好包之后就可以發(fā)給Web服務(wù)器。圖10為手機(jī)客戶端將數(shù)據(jù)打包傳輸給服務(wù)器的主要代碼。

圖10 智能手機(jī)客戶端將數(shù)據(jù)打包傳輸給服務(wù)器的主要代碼

5 Web服務(wù)器端的智能健康信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程醫(yī)療數(shù)據(jù)服務(wù)中心的Web服務(wù)器開發(fā)是利用Java EE技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 Web服務(wù)器主要功能模塊包括用戶登錄、數(shù)據(jù)查詢和用戶信息修改。用戶登錄界面如圖11所示，含有用戶登錄和用戶注冊(cè)。數(shù)據(jù)查詢界面如圖12和圖13所示。圖12為使用圖表顯示出來(lái)的身體健康相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。圖13為使用折線圖顯示出來(lái)的身體健康相關(guān)歷史數(shù)據(jù)。

圖11 智能健康信息系統(tǒng)Web服務(wù)器登錄界面

圖12 使用圖表顯示出來(lái)的某時(shí)間段健康相關(guān)歷史數(shù)據(jù)

圖13 使用折線圖顯示出來(lái)的某時(shí)間段健康相關(guān)歷史數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

隨著中國(guó)逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)，心血管等疾病的預(yù)防監(jiān)測(cè)越來(lái)越重要。心血管等疾病跟體重、血壓和心率有很大的關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)這三種數(shù)據(jù)變化對(duì)預(yù)防心血管病具有重要的意義。設(shè)計(jì)開發(fā)的基于單片機(jī)的智能家庭健康監(jiān)控設(shè)備可準(zhǔn)確方便地測(cè)量出身高、體重、血壓和心率，并能對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程服務(wù)器存儲(chǔ)和分析。該設(shè)備的用戶，通過使用手機(jī)APP或PC瀏覽器就能隨時(shí)隨地查看健康相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)，并能獲取相關(guān)疾病預(yù)防及治療建議。

［1］陳瞰，陸玲霞，陳志遠(yuǎn).基于智能手機(jī)的實(shí)時(shí)體重健康管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［J］.電腦知識(shí)與技術(shù)，2013，9（6）：1370－1373.

［2］張?zhí)m，江學(xué)成，張維珍，等.不同血壓計(jì)測(cè)量法對(duì)老年患者血壓誤差的影響［J］.齊魯護(hù)理雜志，2013，19（19）：112－114.

［3］陳愛萍，莎茹拉.全自動(dòng)電子血壓計(jì)準(zhǔn)確性分析［J］.中國(guó)醫(yī)療設(shè)備，2014，29（3）：128－129.

［4］劉麗芳，謝晉湘，晉庫(kù)根，等.汞柱血壓計(jì)和電子血壓計(jì)測(cè)量血壓的比較分析［J］.中華保健醫(yī)學(xué)雜志，2012，14（2）：147－148.

［5］李學(xué)哲，黃成玉，張全柱，等.基于STC12C5A的電子血壓計(jì)綜合性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（6）：89－91，95.

［6］吳振深，吳俊，鄧惠燕，等.基于 Android 智能手機(jī)的移動(dòng)式環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)［J］.三明學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30（2）：32－37.