基于Android和WiFi的醫(yī)用衰弱表型采集系統(tǒng)

魏 來，陳曉寧，王 健

(安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，安徽 合肥 230601)

我國衰弱老年人口數(shù)量較大, 且呈逐年增加趨勢, 醫(yī)療及社會資源需求越來越大.盡早發(fā)現(xiàn)高危人群, 對老年衰弱進(jìn)行準(zhǔn)確評估并積極干預(yù), 具有重要意義[1].研究顯示步速變慢與老年人患病明顯相關(guān)[2].步速測量操作簡單，適合臨床開展，但目前的步速測量存在較大誤差且不便捷.運用WiFi無線傳輸技術(shù)，能將采集的參數(shù)及時傳回監(jiān)測系統(tǒng).通過Android的人機界面能查看個體參數(shù)，且對參數(shù)進(jìn)行分析.鑒于此，筆者設(shè)計基于Android和WiFi的醫(yī)用衰弱表型采集系統(tǒng)，以方便醫(yī)護(hù)人員利用該系統(tǒng)測量老年人的相關(guān)參數(shù).

1 系統(tǒng)框架

如圖1所示，系統(tǒng)由如下部分組成: 參數(shù)采集模塊、控制處理模塊、供電模塊、無線傳輸模塊和上位機. STM32F103RCT6控制器將采集的數(shù)據(jù)通過WiFi無線傳輸至上位機監(jiān)控中心，上位機監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲及顯示.

圖1 系統(tǒng)框架

2 硬件系統(tǒng)

2.1 參數(shù)采集模塊

身高數(shù)據(jù)的精度要求為厘米級，且采集為非接觸式.超聲波測距原理為：發(fā)射器發(fā)射超聲波的同時開始計時, 超聲波在空氣中傳播, 遇到障礙物后反射, 接收器收到超聲波馬上停止計時，根據(jù)時差計算距離[3].選擇HC-SR04超聲測距傳感器采集身高參數(shù).

利用傳感器將質(zhì)量參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，再根據(jù)電信號的類型和強弱確定信號處理方法.測量體重的傳感器由4個50 kg的電阻應(yīng)變片組合而成.信號處理電路中，使用了電子秤專用模擬/數(shù)字 (A/D) 轉(zhuǎn)換器芯片HX711[4].

采集行走速度時，先探測人體，后對探測到的狀態(tài)進(jìn)行識別判斷.選用紅外感應(yīng)傳感器，識別信號為人體發(fā)出的紅外信號，然后將人體紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號[5].

2.2 控制處理模塊

控制處理模塊能識別進(jìn)入檢測點的人體、控制計時器的啟停、計算步行時間及速度、處理身高及體重信號.STM32F103RCT6控制器通過51個快速I/O端口獲得傳感器采集的參數(shù)，其優(yōu)點是速度快、功耗低、性能穩(wěn)定、性價比高.

2.3 無線傳輸模塊

ESP8266芯片具有集成度高、功耗低和通用性強的特點[6-7]，因此在無線傳輸模塊使用ESP8266芯片.數(shù)字信號經(jīng)單片機處理后，通過無線傳輸模塊發(fā)至路由器, 再傳至數(shù)據(jù)分析軟件.分析軟件對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析、存儲及顯示[8].圖2為無線傳輸模塊電路.

圖2 無線傳輸模塊電路

2.4 供電模塊

采用可充電鋰電池對系統(tǒng)充電.鋰電池工作電壓為5 V、容量為1 800 mA·h.由于STM32F103RCT6控制器工作電壓為3.3 V,因此需要降壓.用低壓差的線性穩(wěn)壓器AMS1117將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，供STM32F103RCT6控制器使用.降壓電路如圖3所示.

圖3 降壓電路

3 軟件系統(tǒng)

3.1 下位機軟件

下位機軟件由采集及處理、WiFi無線傳輸軟件構(gòu)成，程序用C語言編寫.下位機軟件流程如圖4所示.

圖4 下位機軟件流程

傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)以TTL波形電平的形式傳給單片機.單片機處理程序有：引腳初始化、信號解調(diào);相關(guān)程序運行后，保存有效數(shù)據(jù);所有數(shù)據(jù)采集打包完畢，通過串口發(fā)至上位機.

無線傳輸?shù)某跏蓟瘍?nèi)容有：串口配置、WiFi及相關(guān)連接.無線傳輸通過單片機的串口實現(xiàn)，所以WiFi上的rxda1和txda1引腳要與單片機的rxda和txda連接.初始化完成后，通過軟件輸入IP地址及端口信息，利用TCP/IP協(xié)議建立數(shù)據(jù)連接.

3.2 基于Android的上位機軟件

在具有Android操作系統(tǒng)的移動終端上編寫上位機軟件[9].上位機APP能實現(xiàn)WiFi通信初始化、WiFi連接、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能.軟件的開發(fā)環(huán)境為基于Java的整合型可擴(kuò)展平臺Eclipse[10].

3.2.1 上位機程序

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過Socket實現(xiàn)服務(wù)器與客戶端的網(wǎng)絡(luò)通信[11-13].上位機和服務(wù)器間通過Json字符串進(jìn)行信息交流，上位機利用Google的Gson開源框架解析Json字符串，然后對前端數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、展示及儲存.服務(wù)器使用的數(shù)據(jù)庫是MySql數(shù)據(jù)庫，通過Mybatis框架連接服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫.通過上位機程序設(shè)置TCP協(xié)議、服務(wù)器IP地址及端口號.下位機客戶端發(fā)送連接請求，上位機接到請求后連接TCP.下位機發(fā)送參數(shù)至上位機軟件，上位機軟件存儲及顯示數(shù)據(jù).

3.2.2 上位機界面

程序打開之后,主界面顯示“歡迎”.“歡迎”界面的設(shè)置是為了提前打開基于TCP協(xié)議的Scoket連接.

登錄時，若用戶沒有賬號，則進(jìn)入賬號申請界面.進(jìn)入賬號申請界面后，客戶端給服務(wù)器發(fā)送指令，服務(wù)器接收且解析后作出響應(yīng)，將連接服務(wù)器的線程放入申請賬號的線程池.賬號申請完畢后，將申請賬號的線程池轉(zhuǎn)移至普通登錄的線程池.圖5為登錄流程.

圖5 登錄流程

登錄后，界面包含Toolbar和Fragment兩個控件.Toolbar為網(wǎng)絡(luò)連接控件，其上放置TCP連接按鈕；Fragment為傳輸控件，其上放置發(fā)送按鈕.

WiFi無線傳輸模塊接收、分析數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)顯示在主界面上[14-15].通過顯示屏可監(jiān)測參數(shù)，數(shù)據(jù)一目了然，界面友好，符合審美習(xí)慣.

4 實驗結(jié)果及分析

實驗場地為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)第一附屬醫(yī)院內(nèi)科病房，選擇2018年該醫(yī)院住院資料完整的100例老年人為研究對象.傳統(tǒng)測量通過皮尺、電子秤及秒表完成.采用傳統(tǒng)方法及該文方法進(jìn)行步速、體重、身高測量，對比結(jié)果如表1所示.

表1 測量參數(shù)對比

傳統(tǒng)方法采用標(biāo)準(zhǔn)儀器測量，因此筆者視傳統(tǒng)方法測得的數(shù)據(jù)為真實值，計算該文方法相對傳統(tǒng)方法的誤差.由表1數(shù)據(jù)計算得到：步速誤差為0.309%，身高誤差為0.074%，體重誤差為0.158%.上述誤差不超過1%，表明測量數(shù)據(jù)有較高的準(zhǔn)確性，達(dá)到了設(shè)計要求.

由于步速參數(shù)對于采集系統(tǒng)更有意義，因此對步速參數(shù)做進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)偏差分析.選定男女各5名受試者，基于2種方法采集的步速數(shù)據(jù)，使用標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計算得到的結(jié)果如表2所示.

表2 標(biāo)準(zhǔn)偏差對比 m·s-1

由表2可知，該文方法偏差值小于傳統(tǒng)方法，因此該文方法精度更高.

5 結(jié)束語

筆者以微型處理器為控制中心，結(jié)合多種傳感器、WiFi無線通信及上位機軟件，構(gòu)建了基于Android和WiFi的參數(shù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了身高、體重以及步速數(shù)據(jù)的采集及傳輸.設(shè)計的基于Android系統(tǒng)的上位機能實時無線存儲及顯示數(shù)據(jù)，減輕了醫(yī)護(hù)人員的勞動強度，滿足了測、記、分析一體化的需求，具有推廣價值.