..第十一屆中國研究生電子設(shè)計競賽技術(shù)論文論文題目：基于Android手機的可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備<AwearablemedicalmonitoringequipmentbasedonAndroid>參賽單位：XX理工大學(xué)隊伍名稱：指導(dǎo)劉赫參賽隊員：解騰、王華民、熊朝坤目錄摘要IAbstractII第1章緒論11.1研究目的與意義11.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢11.3主要研究內(nèi)容21.4作品難點與創(chuàng)新3創(chuàng)新3難點3第2章監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計42.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案42.2各功能模塊的選擇42.3設(shè)計方案對比52.4系統(tǒng)設(shè)計需求52.4.1系統(tǒng)功能要求5生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能52.5本章小結(jié)6第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1硬件結(jié)構(gòu)圖73.2中央處理單元電路設(shè)計73.2.1STM32F103ZET6處理器介紹7系統(tǒng)電源設(shè)計8存儲電路設(shè)計93.3心電、心率采集模塊設(shè)計103.3.1心電心率數(shù)據(jù)采集模塊10心電心率數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計103.4體溫采集模塊設(shè)計11體溫測量傳感器11體溫采集電路設(shè)計133.5本章小結(jié)13第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1Android系統(tǒng)簡介144.1.1Android手機操作系統(tǒng)14系統(tǒng)功能模塊154.2系統(tǒng)程序總體設(shè)計16系統(tǒng)設(shè)計164.2.2數(shù)據(jù)傳輸174.3藍牙簡介184.4Socket通信接口19第5章系統(tǒng)測試與實現(xiàn)205.1系統(tǒng)主界面實現(xiàn)205.2心電模塊實現(xiàn)205.3測溫模塊的實現(xiàn)225.5本章小結(jié)23結(jié)論24參考文獻25致謝27..摘要隨著中國社會老齡化現(xiàn)象的加重,人們對于自身的健康問題也更加重視,生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)慢慢地出現(xiàn)在人們的日常生活中,而智能手機的普及使得人們的生活變得方便快捷,應(yīng)用手機客戶端觀測這些生理參數(shù),并通過觀測這些生理參數(shù)來預(yù)防疾病的突發(fā),也可以幫助用戶了解自己的身體狀態(tài)。據(jù)此,本文設(shè)計了體積小、精度高、操作便捷的人體生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備,用以采集使用者的心率、體溫等生理參數(shù),并通過藍牙傳輸?shù)紸ndroid平臺的監(jiān)控中心。本文采用模塊化設(shè)計的思想,整個設(shè)計使用STM32F103ZET6芯片作為硬件平臺處理核心；心電采集模塊使用BMD101芯片；溫度數(shù)據(jù)采集使用的是DS18B20傳感器；無線通信采用藍牙技術(shù)。本系統(tǒng)的模塊設(shè)計都遵循著體積小、成本低、抗干擾能力強的原則,符合設(shè)計中便攜式的特點,方便使用者在日常生活中的佩戴。監(jiān)控中心Android界面是Java編程開發(fā),通過對無線傳輸協(xié)議的分析比較,采用TCP協(xié)議通信,Socket通信接口,多線程技術(shù)完成Android的開發(fā),實現(xiàn)對人體健康參數(shù)的接收與顯示。通過系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計,可以實時地監(jiān)測人體生理參數(shù),并傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,監(jiān)控中心可以將數(shù)據(jù)保存在本地數(shù)據(jù)庫中。實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,參數(shù)測量結(jié)果準確,符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：Android；可穿戴；藍牙；生理信息AbstractWiththeaggravationoftheagingphenomenoninChineseSociety,peoplepaymoreattentiontotheirownhealthy.Sothephysiologicalparametermonitoringsystemisslowlyappearinginourdailylife,thesmartphonemakesourlifemoreconvenient,usingmobileclientapplicationobservethephysiologicalparameters,andbyobservingthesephysiologicalparameterstopreventsuddendisease,alsocanhelpuserstounderstandtheirownphysicalconditions.Accordingly,inthispaper,wedesignedaphysiologicalparametersmonitoringequipmentwhichissmallsize,highprecisionandconvenientoperation.Weusethemonitoringequipmenttocollecttheuser'sheartrate,bodytemperatureandotherphysiologicalparameters,andthroughBluetoothtransmissiontothemonitoringcenteroftheAndroidplatform.Thispaperadoptstheideaofmodulardesign,thewholedesignusesSTM32F103ZET6chipasthecoreforhardwareplatformprocessing,ECGacquisitionmoduleusingBMD101chip,andthetemperaturedataacquisitionusingDS18B20sensor;wirelesscommunicationusingBluetoothTechnology.Themodulesofthesystemaredesignedtofollowtheprincipleofsmallsize,lowcost,stronganti-interferenceability,inaccordancewiththecharacteristicsofthedesignofportable,user-friendlyindailylifetowear.AndroidinterfaceofthemonitoringcenteristheJavaprogramming,throughthecomparisonandanalysisofwirelesstransmissionprotocol,usingTCPprotocol,socketcommunicationandmultithreadtechnologytocompletetheAndroiddevelopment,toachievethehumanbodyhealthparametersofthereceptionanddisplay.Throughthesoftwareandhardware’sdesignofthesystemcanbereal-timemonitoringofhumanphysiologicalparametersandtransmittedtothemonitoringcenter.Themonitoringcentercansavethedatainthelocaldatabase.Theexperimentalresultsshowthat,thesystemisrunningstable,parametermeasurementresultsareaccurate,andthesemeetthedesignrequirements.Keywords：Android,Wearable,Bluetooth,physiologicalinformation..第1章緒論1.1研究目的與意義隨著國家醫(yī)療體制的改革,醫(yī)療的信息化已經(jīng)提上日程,建立一個為群眾提供安全、有效、方便、價廉的醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的信息系統(tǒng)成為當(dāng)前的首要任務(wù)。在人們改善生活水平的同時,人們所面對的工作壓力也與日俱增,在緊張的工作期間不能按時在醫(yī)院檢查是影響人們健康安全的一個因素。緊張工作帶來的一些突發(fā)疾病也越來越多,這些突發(fā)疾病時間隨機,如果不能得到及時的救治,將會對患者帶來極大的危險[1]。人們的慢性病發(fā)病率高已是常見的現(xiàn)象,像高血壓、心臟病、糖尿病等,都是需要受到長期的監(jiān)護和治療,如果病人可以在家中使用監(jiān)測設(shè)備,甚至在康復(fù)后的日常生活中可以隨身攜帶,就可以對病情的復(fù)發(fā)做出控制和對疾病的研究提供重要的信息。傳統(tǒng)生理參數(shù)監(jiān)護儀器體積較大,無法攜帶,且操作專業(yè)性強,對醫(yī)護人員的操作有一定的要求,所以主要應(yīng)用于醫(yī)院病房等固定場合[2]。這種醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備已經(jīng)無法滿足人們?nèi)粘＿M行生理參數(shù)監(jiān)測的需求,因此心電監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計的便攜式要求突顯重要,進而便攜系統(tǒng)改善醫(yī)院設(shè)備使用狀況,最終能夠有效治療和預(yù)防疾病,對患者的康復(fù)及存活率都起到事半功倍的作用[3]。在電子通信技術(shù)飛速發(fā)展的背景下,電子產(chǎn)品也愈發(fā)的微型、便捷,而智能手機更是得到極大普及?；贏ndroid平臺的健康感知和信息采傳系統(tǒng)成為實現(xiàn)健康醫(yī)療信息化,解決醫(yī)療困境的有效方法。為了使人們能夠得到安全、完善的健康監(jiān)護,醫(yī)護人員可以提供給人們方便攜帶的人體生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備,這樣一來,人們的生理參數(shù)信息,包括心電、脈搏、血壓、血氧、體溫等,將會及時反饋給醫(yī)護人員,減少了醫(yī)院的工作量。便攜的人體生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備還能記錄攜帶者的健康信息變化情況,提高了醫(yī)院對病人病情的診斷效率[4]。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備在受到了全世界各國的重視后,開始了監(jiān)護技術(shù)飛速發(fā)展的時代。國外對于可穿戴式人體監(jiān)護系統(tǒng)的研究十分重視。早在2002年,歐盟就啟動了名為MobiHealth健康監(jiān)護的研究項目,先后一起投資了將近1000萬歐元,包括歐盟多個國家和公司參與其中,項目包括健康呼叫中心、電信運營商、設(shè)備制造商、醫(yī)院、研究所、大學(xué)等等[5]。該項目提供了一套完整的遠程醫(yī)療服務(wù),提出了基于傳感器和RF設(shè)備的無線體域網(wǎng)的概念。美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室的研究的MIThril項目[6],該項目正在研究一個情境感知型穿戴計算機平臺,在可穿戴式檢測系統(tǒng)中應(yīng)用了人際交換技術(shù),將生理參數(shù)傳感器可穿戴式計算機和無線通信技術(shù)結(jié)合在一起,為病人提供情境感知的"記憶眼鏡"。美國的VivoMetric公司在可穿戴式遠程醫(yī)療監(jiān)護方面有很多的研究[7],該公司研發(fā)了全球第一個采集人體生理參數(shù)的監(jiān)護系統(tǒng)〔LifeShirt。該系統(tǒng)主要是對心電信號進行檢測,然后通過一個移動終端進行監(jiān)護。德國FraunhoferIZM研制了具有傳感功能的襯衫,將柔軟的電極內(nèi)置在襯衫中用于測量心電信號,目前已經(jīng)基本可以完成血壓、體溫和血氧等生理參數(shù)的監(jiān)測。范德堡大學(xué)研究的CareNet項目[8],該項目研究一個基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于遠程健康監(jiān)護系統(tǒng),提供醫(yī)療支持,可以從心電監(jiān)測儀上收集生理參數(shù),通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)中心,可以在醫(yī)療記錄系統(tǒng)中高效地訪問傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行診斷。弗吉尼亞大學(xué)研究的ALARM-NET項目[9],可以通過可穿戴式的傳感器和環(huán)境傳感器結(jié)合一起提供連續(xù)監(jiān)測。該項目創(chuàng)建一個健康檔案,利用傳感器技術(shù)獲取微弱的生理信號,如心電、血壓等生理信號,利用無線網(wǎng)絡(luò)傳輸,實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控來滿足對醫(yī)療保健的需求,提高醫(yī)療效率。在可穿戴式醫(yī)療監(jiān)護領(lǐng)域中,國內(nèi)起步比較晚,但現(xiàn)在也有很多高校和公司開始著手研究該領(lǐng)域。香港中文大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程聯(lián)合研究中心是國內(nèi)研究可穿戴式監(jiān)測領(lǐng)域比較早的研究結(jié)構(gòu),目前該研究中心已經(jīng)在心電、血壓和血氧飽和度等生理參數(shù)的監(jiān)測中取得了實質(zhì)性進展[10]。XX國立中文大學(xué)研究的無線的生理信號監(jiān)測系統(tǒng)也具有很大的意義,它將Wi-Fi和藍牙技術(shù)相結(jié)合,一起構(gòu)成了一套監(jiān)測系統(tǒng)。中國人民解放軍空軍航空醫(yī)學(xué)研究所設(shè)計了一套可以測量心電信號、體溫、心率等的監(jiān)測設(shè)備。并且該設(shè)備可以繼續(xù)擴展測量更多的生理參數(shù)[11]。直到科技發(fā)展至今,在我國的市面上已經(jīng)出現(xiàn)了許多國內(nèi)醫(yī)療廠商開發(fā)的各種便攜式生理監(jiān)測儀器,其中主要有北京美高儀、XX邁瑞等為代表的廠商,不過這些產(chǎn)品雖然在價格上相比國外設(shè)備有一定優(yōu)勢,但是也缺少一些數(shù)據(jù)服務(wù)器之類服務(wù)的普及。我國遠程醫(yī)療正處于全面發(fā)展的階段,可以預(yù)見,未來我國在該領(lǐng)域必將取得優(yōu)異的成績。1.3主要研究內(nèi)容本文的研究內(nèi)容為主要包括生理參數(shù)的采集,監(jiān)測系統(tǒng)的下位機設(shè)計,無線通信,Android平臺的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計四大部分。監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程為生理參數(shù)采集模塊在采集生理信息后,以串口或總線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心,再以無線的方式傳輸?shù)绞謾C上,從而顯示出人體實時的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。1．生理參數(shù)的采集。設(shè)計中的采集模塊設(shè)計都采用模塊化設(shè)計,設(shè)計主要包括對心電、心率和體溫的測量。模塊與單片機的數(shù)據(jù)傳輸是通過串口和總線的方式。2．監(jiān)測系統(tǒng)的下位機設(shè)計。該部分設(shè)計主要包括了下位機的軟件和硬件設(shè)計。硬件電路的主控芯片選用STM32芯片,硬件設(shè)計包括了復(fù)位電路、電源電路、報警電路、顯示電路的設(shè)計。軟件部分主要是處理模塊采集的數(shù)據(jù),將采集的數(shù)據(jù)按特定的格式傳輸?shù)紸ndroid平臺的智能手機上。3．無線通信。通過對比目前主流的無線通信技術(shù),了解各類技術(shù)的優(yōu)缺點,選擇了藍牙通信技術(shù),藍牙技術(shù)帶寬合適且功耗低、穩(wěn)定性高、穿透性強。4．基于Android智能手機手機的移動監(jiān)護平臺設(shè)計。用戶界面完成的功能有顯示生理參數(shù)的數(shù)據(jù)、繪制心電波形圖,顯示用戶的生理參數(shù)數(shù)據(jù)。1.4作品難點與創(chuàng)新1.4.1創(chuàng)新1.本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Android平臺的便攜式醫(yī)療實時監(jiān)測。2.搭建了智能手機Android應(yīng)用軟件開發(fā)平臺,完成了多生理參數(shù)醫(yī)療監(jiān)測軟件系統(tǒng)。3.系統(tǒng)采用了STM32F103ZET6作為系統(tǒng)的處理模塊,方便I/O接口與邏輯功能的擴展,方便開發(fā)人員進行系統(tǒng)的二次開發(fā)。4.采用模塊化設(shè)計思想,各功能單元相對獨立,便于測試,且有更好的擴展性。5.通過藍牙,使智能手機與監(jiān)測終端相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸,使身體的生理參數(shù)實時的顯示在智能手機上。1.4.2難點1.Android平臺的搭建、開發(fā)以及在手機客戶端上的詳細軟件功能設(shè)計。2.通過若干傳感器對生理參數(shù)進行采集,并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析。各功能模塊與單片機的數(shù)據(jù)通過串口和總線的方式傳輸,最終通過藍牙發(fā)送到手機客戶端上。3.基于藍牙技術(shù)的智能手機與智能監(jiān)護終端的虛擬串口通信和基于技術(shù)的智能手機與監(jiān)護中心的通信。第2章監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)的總體設(shè)計方案系統(tǒng)要實現(xiàn)的是心電、體溫的數(shù)據(jù)采集,主控單元對數(shù)據(jù)量進行處理分析,并通過無線方式傳輸?shù)奖O(jiān)護系統(tǒng)。實現(xiàn)無線可穿戴式人體健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究與設(shè)計[12]。系統(tǒng)的總體框圖如圖2-1所示。圖2-1人體健康監(jiān)測系統(tǒng)總框圖主控中心選擇的是STM32F103ZET6處理器,該處理器由意法半導(dǎo)體公司出品,在系統(tǒng)中其作用是對模塊采集到的人體參數(shù)的數(shù)據(jù)量進行接收、解析、處理,以串口方式傳輸給無線模塊,再以無線方式傳輸?shù)紸ndroid手機上。無線模塊部分采用藍牙無線通信技術(shù),藍牙無線網(wǎng)運行在全球通用的2.4Hz內(nèi)2400~2483.5波段的ISM〔工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)頻段上,藍牙技術(shù)帶寬合適且低功耗、穩(wěn)定性高、穿透性強。2.2各功能模塊的選擇人體生理參數(shù)包括了心率、心電、體溫參數(shù),本文依據(jù)可穿戴式的設(shè)計特點采用了設(shè)計方案。心電模塊使用BMD101芯片設(shè)計；體溫測量使用單總線的DS18B20傳感器,無需搭建其他電路就可以完成體溫測量。這樣模塊化設(shè)計方便了系統(tǒng)的維護,也減少了研發(fā)成本。2.3設(shè)計方案對比傳統(tǒng)的遠程醫(yī)療保健技術(shù)在對患者進行診斷治療中只是簡單地集成了計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)、醫(yī)療保健技術(shù)以及臨床檢測工程技術(shù)。受當(dāng)時技術(shù)限制,國內(nèi)科研和醫(yī)學(xué)界對遠程醫(yī)療的研究也基本停留在、等有線傳輸生理數(shù)據(jù)的水平上,影響了遠程醫(yī)療在醫(yī)學(xué)上的使用范圍。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,遠程醫(yī)療已經(jīng)發(fā)展為了融合傳感器技術(shù)、通信技術(shù)及計算機多媒體技術(shù)等信息技術(shù),不受時空限制為遠程提供醫(yī)療信息和服務(wù)的一門醫(yī)學(xué)上衍生出來的多交叉應(yīng)用學(xué)科,能實現(xiàn)疾病診斷治療、日常監(jiān)護、健康教育以及衛(wèi)生保健等多種醫(yī)學(xué)功能的醫(yī)療模式?；赼ndroid智能手機的移動監(jiān)測終端,Android智能手機可以像個人電腦一樣安裝第三方軟件,所以它們功能豐富,而且可以不斷擴充。智能手機擁有獨立的核心處理器〔CPU和內(nèi)存,根據(jù)需要,實時擴展機器內(nèi)置功能,因此,使用智能手機實時監(jiān)測,使得現(xiàn)代意義下的遠程監(jiān)護更加人性化、實時化和智能化。2.4系統(tǒng)設(shè)計需求2.4.1系統(tǒng)功能要求本文設(shè)計的無線人體生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),主要針對于個人、家庭日常生活中的監(jiān)護使用。針對這一特定的場景,系統(tǒng)的要求如下：1．體積小。穿戴式的的生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備必須有體積小的特點,體積過大會造成使用者的舒適度下降,對使用者的生活活動帶來不便。小體積的特點,更可以實現(xiàn)設(shè)備的長期穿戴,對監(jiān)測更加有利。2．高可靠性。設(shè)計中要盡量減少電磁信號對系統(tǒng)的干擾,需要具有一定的抗干擾能力,系統(tǒng)采集的生理參數(shù)才具有參考價值。3．易操作。設(shè)計由于是針對個人使用,使用者可能不具有專業(yè)設(shè)備的操作水平,因此設(shè)計的操作步驟需要盡量的簡潔。2.4.2生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能1．實時監(jiān)測功能：能對體溫、心率等生理參數(shù)進行采集。2．節(jié)點通信功能：監(jiān)測設(shè)備可以通過藍牙與手機客戶端進行通信,將人體生理參數(shù)上傳到監(jiān)控中心的手機界面上。3．實時顯示功能：系統(tǒng)采集的生理參數(shù)信息需要能在Android智能手機客戶端界面實時地顯示出來,繪制心電波形圖。2.5本章小結(jié)本章主要對系統(tǒng)設(shè)計方案及系統(tǒng)設(shè)計需求進行綜述。首先闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案,并且確定了使用的無線模塊。通過對現(xiàn)有生理參數(shù)采集方案的比較,確定了生理參數(shù)的采集模塊,為后續(xù)的硬件和軟件設(shè)計提供必要的參數(shù)說明。第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計本章將詳述系統(tǒng)的硬件電路的搭建和各個功能模塊的設(shè)計,實現(xiàn)基于Android平臺的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)所需的硬件平臺。3.1硬件結(jié)構(gòu)圖本文的硬件平臺總體的模塊結(jié)構(gòu)包括心電信號采集模塊；溫度檢測模塊；無線模塊；電源模塊以及主控中心。軟件平臺就是單片機程序的設(shè)計和Android手機軟件的開發(fā)[13-15]。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。圖3-1總體結(jié)構(gòu)圖3.2中央處理單元電路設(shè)計3.2.1STM32F103ZET6處理器介紹本文采用ARMV7架構(gòu)的STM32F103ZET6芯片作為中央處理器,該芯片的主要介紹如下[16]。1、Cortex-M3內(nèi)核,512KBFlash,64KBRAM,LQFP144腳封裝。2、32位RISC性能處理器,72MHz運行頻率,CPU電壓范圍2.0-3.6V。3、快速可嵌套中斷,6-12個時鐘周期。4、硬件除法、單周期乘法。5、具有內(nèi)存保護設(shè)定訪問規(guī)則。6、支持JTAG,SWD調(diào)試。7、多達80個IO<5V邏輯>；4個通用定時器；2個高級定時器；2個基本定時器；3路SPI接口；2路I2S接口；2路I2C接口；5路USART；USB、SDIO、CAN的接口各一路,總線為可兼容SRAMFlash、NORFlash和NANDFlash。8、AD輸入與DA輸出都是12位的,前者有三路后者有兩路。圖3-2STM32F103ZET6外圍電路設(shè)計3.2.2系統(tǒng)電源設(shè)計本次設(shè)計的供電部分使用鋰電池供電,5V鋰電池具有能量比較高、使用壽命長、自放電率很低、重量輕、高低溫適應(yīng)性強、綠色環(huán)保等特點,同時符合便攜式的特點?？刂菩酒琒TM32的供電使用AMS1117-3.3穩(wěn)壓器,可將5V電源穩(wěn)定在3.3V,且保證了電流輸出。系統(tǒng)中心電信號采集模塊、脈搏血氧飽和度采集模塊、溫度數(shù)據(jù)采集模塊都是3.3V電壓,中央處理單元電壓為3.3V,藍牙模塊電源為3.3V。圖3-3電源電路存儲電路設(shè)計圖3-4Flash電路原理圖本設(shè)計中選擇使用FLASH儲存器保存采集的生理參數(shù)信息。選用的FLASH芯片是華邦公司的SPIFLASH產(chǎn)品W25Q64,它有著8M字節(jié)的存儲空間,足夠保存長時間的生理信息。W25Q64還有超過10萬次的擦寫周期,每個設(shè)備都有唯一的64位ID,工作電壓為2.7V到3.6V。而且這款存儲器支持標準SPI接口,SPI是一種高速的全雙工通信總線,只需連接4個引腳,大大節(jié)約了處理器資源,支持的最大SPI時鐘可80MHz,可以和STM32的SPI接口配合,使用DMA方法快速讀寫數(shù)據(jù)。W25Q64芯片電路圖如圖3-4所示。其中,CS引腳是片選輸入,CLK引腳是串行時鐘輸入,DO引腳是數(shù)據(jù)輸出,DI引腳是數(shù)據(jù)輸入,只需要將這4個引腳與STM32連接,通過程序配置SPI的工作模式后,就可以讀寫FLASH存儲器中的數(shù)據(jù)。3.3心電、心率采集模塊設(shè)計3.3.1心電心率數(shù)據(jù)采集模塊本系統(tǒng)的心電、心率數(shù)據(jù)采集模塊選用了BMD101芯片,首先BMD101的體積非常小,規(guī)格僅為3mm*3mm*0.6mm,功耗低,使用3.3V供電,其次作為一款數(shù)字芯片,它內(nèi)置了模擬前端。針對采集到的生物信號,BMD101有一套專用的算法,因為擁有數(shù)字信號處理單元,可以精準的完成數(shù)據(jù)的計算。BMD101的功能非常強大,它有內(nèi)置的專有的算法[17],同時固化了DSP來對采集的數(shù)字濾波進行計算,內(nèi)部的系統(tǒng)管理單元是BMD101的核心,系統(tǒng)配置和通訊,運行和電源的管理都由此核心來完成。其目標應(yīng)用就是臨床心電監(jiān)測和分析,心率的變異和監(jiān)控,BMD101是單一芯片解決方案,體積小,功耗低,適用于便攜式設(shè)備,可以很容易的整合到目標設(shè)備上。對于模擬前端的分析,主要是包括低噪音放大器和ADC。模擬前端的框圖及其接口傳感器和集成電路數(shù)字部分如圖3-5所示。圖3-5模擬前端的框圖模擬前端<AFE>接收不同低振幅的模擬輸入信號,信號通過高通濾波器<HPF>去除信號中包含的大其緩慢的直流成分,然后信號通過可編程增益低噪音放大器<LNA>,LNA輸出被ADC轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字量[18]。BMD101內(nèi)置了傳感器關(guān)閉<Sensor-off>檢測能力,在兩個傳感器輸入引腳之間,通常超過19-25兆歐會觸發(fā)傳感器狀態(tài)。一種數(shù)字控制振蕩器<DCO>也被包含在BMD101中,它提供了一個完全集成的22.1MHz時鐘參考信號。3.3.2心電心率數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計BMD101有一個獨立的電源輸入端VDD和用來限制心電信號中的噪音接地隔離電路,電路如圖3-6所示。電路中的C1器件為濾波器組件。D1、D2為靜電放電二極管,它們起到的作用是靜電保護。SEP/SEN最好連接模擬地,隔離潛在的供應(yīng)功率和噪聲敏感的傳感器線路。圖3-6BMD101數(shù)據(jù)采集電路原理圖3.4體溫采集模塊設(shè)計3.4.1體溫測量傳感器本設(shè)計使用DS18B20傳感器,這款溫度傳感器體積小、抗干擾能力強、精度高,讀取溫度時使用單總線接口與單片機通信。使用DS18B20傳感器,在可穿戴式設(shè)計中可以直接接觸人體皮膚測量體溫。DS18B20的測溫范圍為-55~+125℃,溫度傳感器的分辨率是可編程的,分別為9到12位,最高的精度可達0.0625℃,在使用9位精度測溫時,溫度轉(zhuǎn)換數(shù)字的速度僅為93.75ms。DS18B20的內(nèi)部主要由64位的ROM、溫度傳感器、溫度報警觸發(fā)器和配置寄存器組成。64位ROM主要是記錄了溫度傳感器自身的地址序列號,保證了每個傳感器具有特定的序列碼,實現(xiàn)多個傳感器的單總線測量。配置寄存器可以設(shè)置溫度傳感器的精度。DS18B20還具有報警功能,設(shè)置報警預(yù)設(shè)值TH和TL后,當(dāng)傳感器進行了溫度轉(zhuǎn)換后,會將溫度值與報警預(yù)設(shè)置進行比較,若溫度超出范圍,就會將報警標識位置1。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。圖3-7DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-8DS18B20測溫原理示意圖DS18B20的測溫原理如圖3-8所示,高溫度系數(shù)振蕩器受到溫度變化影響導(dǎo)致的振蕩頻率變化明顯,產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入,低溫度系數(shù)振蕩器受到溫度變化的影響小,產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器1的脈沖輸入。首先預(yù)置-55℃對應(yīng)的數(shù)值給減法計數(shù)器和溫度寄存器中,當(dāng)開始計數(shù)時,低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生脈沖信號,計數(shù)器1進行減法運算,當(dāng)計數(shù)值為0時,溫度寄存器的值加1,計數(shù)器1重新裝載預(yù)置值,如此循環(huán),當(dāng)計數(shù)器2為0時,停止溫度寄存器的累加,此時溫度寄存器中的值即為所測溫度。斜率累加器的作用為補償和修正溫度測量過程中的非線性誤差,可以修正計數(shù)器1的預(yù)設(shè)值。讀取DS18B20測量的溫度時,只需寫入0xBE指令,即可讀出傳感器內(nèi)部RAM中的9位溫度值。設(shè)計中設(shè)置DS18B20的分辨率為12位,則實際溫度為得到的數(shù)值乘以0.0625,即可得到實際溫度,如果測量的溫度小于0℃時,需要將測得的二進制數(shù)取反后加1,再乘以0.0625才是實際溫度值。3.4.2體溫采集電路設(shè)計DS18B20溫度傳感器的工作電壓為3.0~5.5V直流電源,本設(shè)計只需使用一個溫度傳感器,外部供電使用3.3V的電壓供電,電路圖如圖3-9所示。圖3-9DS18B20測溫電路原理圖3.5本章小結(jié)本章介紹了硬件平臺的實現(xiàn)與組成,首先介紹了主控中心中央處理器的選擇,依次介紹了主控中心的外圍電路,生物傳感器采集模塊以及無線模塊的電路設(shè)計,深入的分析了系統(tǒng)中硬件電路的功能和實現(xiàn)方法。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1Android系統(tǒng)簡介4.1.1Android手機操作系統(tǒng)Android是谷歌在20XX11月05日是于年月日宣布的基于平合的開源手機操作系統(tǒng)的名稱,該平臺由操作系統(tǒng)、中間件、用戶界面和應(yīng)用軟件組成。軟件棧如圖中的元素組成,簡單地說,就是將一個內(nèi)核和一個庫集合提供給整個應(yīng)用程框架,而該應(yīng)用程序框架為運行時和應(yīng)用程序提供服務(wù),并對它們進行管理。軟件棧如圖4-1中的元素組成,簡單地說,就是將一個內(nèi)核和一個庫集合提供給整個應(yīng)用程序框架,而該應(yīng)用程序框架為運行時和應(yīng)用程序提供服務(wù),并對它們進行管理。圖4-1Android系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Android系統(tǒng)包括Linux內(nèi)核、庫、Android運行時、應(yīng)用程序框架和應(yīng)用層五部分,具體內(nèi)容如下：〔1Linux內(nèi)核：核心服務(wù)〔包括硬件驅(qū)動程序、進程和內(nèi)存管理、安全、網(wǎng)絡(luò)和電影管理都由一個內(nèi)核處理。內(nèi)核還在硬件和軟件棧的其他部分之間提供了一層抽象?！?庫：運行在內(nèi)核之上,Android包含了各種C/C++核心庫,例如,libc和SSL,以及用來回放音頻和視頻媒體的媒體庫、提供管理顯示的外觀管理器、包含了2D和3D的SGL和OpenGL的圖形庫、支持本地數(shù)據(jù)庫的SOLite、集成了Web瀏覽器和Internet安全的SSL和WebKit?！?Android運行時：Android運行時可以讓一個Android手機從本質(zhì)上與一個移動Linux實現(xiàn)的手機區(qū)分開來。由于Android運行時包含了核心庫和Dalvik虛擬機,因此,它是向應(yīng)用程序提供動力的引擎,它和庫一起形成了應(yīng)用程序框架的基礎(chǔ)?！?應(yīng)用程序框架：應(yīng)用程序框架提供了用來創(chuàng)建Android應(yīng)用程序的類。它還對硬件訪問和對用戶界面及應(yīng)用程序資源的管理提供了一般抽象。〔5應(yīng)用層：所有的應(yīng)用程序,包括本地的和第三方的,都使用相同的庫來構(gòu)建與應(yīng)用層之上。應(yīng)用層運行在Android運行時之內(nèi),并且使用了可用的類和服務(wù)。用戶通過安裝在Android手機操作系統(tǒng)上的智能醫(yī)療應(yīng)用程序和網(wǎng)關(guān)對人體的血氧飽和度、體溫、脈搏等數(shù)據(jù)進行采集,數(shù)據(jù)通過手機端顯示出來,用戶根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)判斷自己身體健康狀況。4.1.2系統(tǒng)功能模塊本監(jiān)護系統(tǒng)中智能手機應(yīng)用程序功能框圖如圖4-2所示,其中數(shù)據(jù)顯示一共分為三個功能模塊：心電模塊,體溫模塊,血氧模塊。系統(tǒng)構(gòu)建于應(yīng)用層之上,旨在為各個子模塊提供統(tǒng)一的主程序界面及相應(yīng)功能。圖4-2生理參數(shù)功能展現(xiàn)圖4.2系統(tǒng)程序總體設(shè)計4.2.1系統(tǒng)設(shè)計在整個系統(tǒng)中,傳感器數(shù)據(jù)采集成功,傳輸?shù)街骺刂行?主控中心根據(jù)特定數(shù)據(jù)的傳輸格式對數(shù)據(jù)進行處理,網(wǎng)絡(luò)連接成功,數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)绞謾C界面上,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進行Android編程,Socket實現(xiàn)通信接口,TCP并發(fā)服務(wù)器,多線程技術(shù)完成手機的UI界面,實現(xiàn)對人體健康參數(shù)的接收與顯示。主控中心程序流程圖如圖4-3所示。圖4-3主控中心程序流程圖生理參數(shù)監(jiān)測設(shè)備與智能手機使用藍牙通信,使用的藍牙模塊采用XX匯承信息科技生產(chǎn)的HC-05芯片。HC-05是民用級,支持當(dāng)前絕大多數(shù)手機藍牙設(shè)備,并可向上兼容其他更高協(xié)議。該模塊具有集成度高、穩(wěn)定性好、功耗低、外圍電路少等優(yōu)點,完全滿足本系統(tǒng)的需求,圖4-4是藍牙模塊的外圍電路。其中STATUS_OUT是輸出狀態(tài)指示燈引腳,未連接藍牙時D1會閃爍,MOD引腳是藍牙AT模式選擇引腳；RXD和TXD是串口通信接口,實現(xiàn)串口通信功能。圖4-4藍牙模塊外圍電路4.2.2數(shù)據(jù)傳輸單片機與藍牙模塊直接的數(shù)據(jù)傳輸使用DMA方法,使用DMA方法不需要CPU參與傳輸過程,只需CPU響應(yīng)DMA的請求后,DMA控制器會直接執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送過程。在DMA的控制下,整個數(shù)據(jù)傳輸過程不需要CPU的干預(yù),不會影響生理參數(shù)的采集,并且會大大提高CPU的使用效率和數(shù)據(jù)傳送的速度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖如圖4-5所示。圖4-5系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程圖4.3藍牙簡介Android2.0及以上版本,平臺提供官方藍牙用來藍牙操作和藍牙連接通信。移動網(wǎng)關(guān)的藍牙操作過程包括打開本地藍牙,查找傳感器設(shè)備,建立連接和進行數(shù)據(jù)傳輸四部分。藍牙技術(shù)為通信設(shè)備提供了一種近距離無線連接的方式,以便設(shè)備之間能以無線方式進行數(shù)據(jù)同步化及數(shù)據(jù)傳輸。藍牙標準可分別支持1、10、100三種不同的通信距離,并可提供最高速率達10Mbps的通信速率。藍牙標準提供點對點串行通信和點到多點共享信道的主控制器接口的通信方式,這樣非常適合人體局域網(wǎng)的搭建。解除線路或電纜的束縛連接,并提供包括網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的寬范圍標準設(shè)備和通信選項的入口,使得藍牙技術(shù)在小型的移動通信設(shè)備和便攜式醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備等儀器研制方面大有用武之地。在穿戴式生物醫(yī)療儀器中選擇藍牙技術(shù)的原因主要有：①傳輸距離遠：無線傳感器的信號一般要受電源和功率的限制,藍牙支持10m-100m的通信距離能不受影響地傳輸生理信號。②傳輸速率快：藍牙技術(shù)能以高達433.9Kb/s的比特率傳輸任何生命特征的數(shù)據(jù)。③安全性高：藍牙技術(shù)采取了嚴密的安全機制,如在基帶上提供對傳輸數(shù)據(jù)的加密機制以及在鏈路管理器上提供鑒權(quán)機制,且傳輸生理信號時藍牙技術(shù)能充分實現(xiàn)識別和編碼機制。④便攜性好：藍牙模塊的設(shè)計尺寸要比一般的射頻〔RF裝置小,無線收發(fā)器的控制程序可燒寫在僅為8mm×8mm的微型芯片上,這樣集成有藍牙模塊的網(wǎng)關(guān)不占體積,適合于在對設(shè)備體積有要求的微型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中使用。⑤相較于其他短距離無線通信技術(shù)而言,藍牙技術(shù)帶寬合適且低功耗、穿透性強、穩(wěn)定性高[19]。4.4Socket通信接口人體健康監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)要求準確,且是端到端的。本文選擇基于TCP協(xié)議,在整個數(shù)據(jù)傳輸中,當(dāng)藍牙連接建立后智能手機便可以通過獲取到的地址進行無線連接。本文系統(tǒng)中,根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和傳輸速率的要求,在整個數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中使用TCP/IP協(xié)議進行傳輸,整個過程如圖4-6所示,使用流式套接口在中心服務(wù)器端和智能手機端建立連接。圖4-6Socket通信流圖由于無法確定客戶端的具體套接字,所以中心端始終處于Listen〔監(jiān)聽狀態(tài),監(jiān)聽著客戶端的連接申請,直到客戶端發(fā)出連接請求,才會進行連接。而客戶端在向中心服務(wù)器端發(fā)送請求時,必須先知道需要請求的中心服務(wù)器端的套接字地址和端口號,而且其對端口套接字的描述必須滿足中心服務(wù)器端的要求,這是發(fā)送正確連接請求的前提條件。然后將這些信息通過套接字向中心服務(wù)器提出連接請求。當(dāng)整個系統(tǒng)滿足上述兩種條件時,如果中心服務(wù)器端收到客戶端連接套接字請求,且套接字地址和端口號正確,中心服務(wù)器端將做出響應(yīng)。從而中心服務(wù)器和客戶端建立一個新的連接。當(dāng)這個新的成功建立之后,便可通過該鏈接在兩則之間傳輸數(shù)據(jù)。第5章系統(tǒng)測試與實現(xiàn)移動監(jiān)護平臺上的軟件系統(tǒng)是在基于Android操作系統(tǒng)的智能手機模擬器v2.3版本上,采用Sun公司的Eclipse軟件作為開發(fā)工具,在前述節(jié)配置好的開發(fā)環(huán)境里使用Java技術(shù)語言編程實現(xiàn)。系統(tǒng)構(gòu)建于Android應(yīng)用層之上,旨在為各個子模塊提供統(tǒng)一的主程序界面及相應(yīng)功能。5.1系統(tǒng)主界面實現(xiàn)用戶在點擊App<Application,應(yīng)用程序>圖標進入系統(tǒng),APP圖標如圖5-1所示。點擊圖標后進入系統(tǒng)主界面,如圖5-2所示。圖5-1APP圖標圖5-2系統(tǒng)主界面5.2心電模塊實現(xiàn)點擊心電圖標進入心電測試界面,心電測試界面如圖5-3所示。點擊開始,藍牙會自動連接,輸入相應(yīng)的年齡,會自動繪制出心電信號波形,圖5-4,5-5是輸入年齡分別為20和25時所測波形。5-3心率測試界面5-4輸入年齡為20歲時的心電圖5-5輸入年齡為25歲時的心電圖5.3測溫模塊的實現(xiàn)點擊溫度圖標進入人體體溫測試界面,體溫測試界面如圖5-6所示。點擊開始,藍牙會自動連接,這是在手機屏幕上會實時的顯示正在測試的體溫,如圖5-7所示。圖5-6體溫測試界面圖5-7體溫顯示界面5.5本章小結(jié)本章針對系統(tǒng)的功能進行了真實的監(jiān)測,對心電測試和體溫測試做出了實際檢測,測試了可穿戴式醫(yī)療設(shè)備實現(xiàn)的可能性,并能通過Android智能手機客戶端對數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)測,測試結(jié)果表明本設(shè)計符合設(shè)計要求。結(jié)論本設(shè)計針對當(dāng)今可穿戴式醫(yī)療這一熱門研究課題,結(jié)合國內(nèi)外可穿戴式醫(yī)療設(shè)備設(shè)計思想,深入探索基于Android手機的穿戴式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備,結(jié)合具體的項目要求和技術(shù)規(guī)范設(shè)計了基于Android手機的可穿戴式醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備。該系統(tǒng)通過藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線通信,并能對所測對象進行實時監(jiān)測,以確定被測對象的安全。主要完成的工作與成果如下:1.采用工業(yè)級處理器STM32F103ZET6芯片作為硬件平臺處理核心,實現(xiàn)了高效率、低成本、實時性好、可靠性高的醫(yī)療監(jiān)測系統(tǒng)。2.實現(xiàn)了對心電信號及溫度的數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計。選用Android操作系統(tǒng),是Google發(fā)布的移動平臺操作系統(tǒng),從應(yīng)用程序框架層和系統(tǒng)移植方面來說,android有絕對優(yōu)勢,android的開源特性使其在底層方面優(yōu)于其他操作系統(tǒng),可將自己修改的代碼定制在自己的系統(tǒng)或者移植到自己的平板或手機等硬件設(shè)備上。通過藍牙協(xié)議,實現(xiàn)了無線傳輸,使得監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r的監(jiān)測數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)顯示在手機界面上。本系統(tǒng)符合用戶的設(shè)計要求,未來可能進行的工作:1.本系統(tǒng)的設(shè)計尚處于研究的初級階段,雖然可以初步實現(xiàn)功能,但是其采集模塊不集中,需要對硬件電路部分進一步改進,設(shè)計體積更小的可穿戴式的生理傳感器。2.可以增加更多的人體生理信號采集模塊,以實現(xiàn)更完善的醫(yī)療監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)。3.只能手機客戶端設(shè)計,現(xiàn)在手機上只能顯示數(shù)據(jù),不能對數(shù)據(jù)進一步的保存和分析,需對客戶端軟件進一步優(yōu)化。參考文獻MatzeuGiusy,FloreaLarisa,DiamondDermot.Advancesinwearablechemicalsensordesignformonitoringbiologicalfluids[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,20