电子设计大赛论文

..第十一届中国研究生电子设计竞赛技术论文论文题目：基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备<AwearablemedicalmonitoringequipmentbasedonAndroid>参赛单位：XX理工大学队伍名称：指导刘赫参赛队员：解腾、王华民、熊朝坤目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1研究目的与意义11.2国内外的研究现状及发展趋势11.3主要研究内容21.4作品难点与创新3创新3难点3第2章监测系统总体方案设计42.1系统的总体设计方案42.2各功能模块的选择42.3设计方案对比52.4系统设计需求52.4.1系统功能要求5生理参数监测系统的主要功能52.5本章小结6第3章系统硬件设计73.1硬件结构图73.2中央处理单元电路设计73.2.1STM32F103ZET6处理器介绍7系统电源设计8存储电路设计93.3心电、心率采集模块设计103.3.1心电心率数据采集模块10心电心率数据采集电路设计103.4体温采集模块设计11体温测量传感器11体温采集电路设计133.5本章小结13第4章系统软件设计144.1Android系统简介144.1.1Android手机操作系统14系统功能模块154.2系统程序总体设计16系统设计164.2.2数据传输174.3蓝牙简介184.4Socket通信接口19第5章系统测试与实现205.1系统主界面实现205.2心电模块实现205.3测温模块的实现225.5本章小结23结论24参考文献25致谢27..摘要随着中国社会老龄化现象的加重,人们对于自身的健康问题也更加重视,生理参数监测系统慢慢地出现在人们的日常生活中,而智能手机的普及使得人们的生活变得方便快捷,应用手机客户端观测这些生理参数,并通过观测这些生理参数来预防疾病的突发,也可以帮助用户了解自己的身体状态。据此,本文设计了体积小、精度高、操作便捷的人体生理参数监测设备,用以采集使用者的心率、体温等生理参数,并通过蓝牙传输到Android平台的监控中心。本文采用模块化设计的思想,整个设计使用STM32F103ZET6芯片作为硬件平台处理核心；心电采集模块使用BMD101芯片；温度数据采集使用的是DS18B20传感器；无线通信采用蓝牙技术。本系统的模块设计都遵循着体积小、成本低、抗干扰能力强的原则,符合设计中便携式的特点,方便使用者在日常生活中的佩戴。监控中心Android界面是Java编程开发,通过对无线传输协议的分析比较,采用TCP协议通信,Socket通信接口,多线程技术完成Android的开发,实现对人体健康参数的接收与显示。通过系统的软件和硬件设计,可以实时地监测人体生理参数,并传输到监控中心,监控中心可以将数据保存在本地数据库中。实验结果表明,系统运行稳定,参数测量结果准确,符合设计要求。关键词：Android；可穿戴；蓝牙；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章绪论1.1研究目的与意义随着国家医疗体制的改革,医疗的信息化已经提上日程,建立一个为群众提供安全、有效、方便、价廉的医疗卫生服务的信息系统成为当前的首要任务。在人们改善生活水平的同时,人们所面对的工作压力也与日俱增,在紧张的工作期间不能按时在医院检查是影响人们健康安全的一个因素。紧张工作带来的一些突发疾病也越来越多,这些突发疾病时间随机,如果不能得到及时的救治,将会对患者带来极大的危险[1]。人们的慢性病发病率高已是常见的现象,像高血压、心脏病、糖尿病等,都是需要受到长期的监护和治疗,如果病人可以在家中使用监测设备,甚至在康复后的日常生活中可以随身携带,就可以对病情的复发做出控制和对疾病的研究提供重要的信息。传统生理参数监护仪器体积较大,无法携带,且操作专业性强,对医护人员的操作有一定的要求,所以主要应用于医院病房等固定场合[2]。这种医疗监测设备已经无法满足人们日常进行生理参数监测的需求,因此心电监护系统设计的便携式要求突显重要,进而便携系统改善医院设备使用状况,最终能够有效治疗和预防疾病,对患者的康复及存活率都起到事半功倍的作用[3]。在电子通信技术飞速发展的背景下,电子产品也愈发的微型、便捷,而智能手机更是得到极大普及。基于Android平台的健康感知和信息采传系统成为实现健康医疗信息化,解决医疗困境的有效方法。为了使人们能够得到安全、完善的健康监护,医护人员可以提供给人们方便携带的人体生理参数监测设备,这样一来,人们的生理参数信息,包括心电、脉搏、血压、血氧、体温等,将会及时反馈给医护人员,减少了医院的工作量。便携的人体生理参数监测设备还能记录携带者的健康信息变化情况,提高了医院对病人病情的诊断效率[4]。1.2国内外的研究现状及发展趋势医疗监测设备在受到了全世界各国的重视后,开始了监护技术飞速发展的时代。国外对于可穿戴式人体监护系统的研究十分重视。早在2002年,欧盟就启动了名为MobiHealth健康监护的研究项目,先后一起投资了将近1000万欧元,包括欧盟多个国家和公司参与其中,项目包括健康呼叫中心、电信运营商、设备制造商、医院、研究所、大学等等[5]。该项目提供了一套完整的远程医疗服务,提出了基于传感器和RF设备的无线体域网的概念。美国麻省理工学院媒体实验室的研究的MIThril项目[6],该项目正在研究一个情境感知型穿戴计算机平台,在可穿戴式检测系统中应用了人际交换技术,将生理参数传感器可穿戴式计算机和无线通信技术结合在一起,为病人提供情境感知的"记忆眼镜"。美国的VivoMetric公司在可穿戴式远程医疗监护方面有很多的研究[7],该公司研发了全球第一个采集人体生理参数的监护系统〔LifeShirt。该系统主要是对心电信号进行检测,然后通过一个移动终端进行监护。德国FraunhoferIZM研制了具有传感功能的衬衫,将柔软的电极内置在衬衫中用于测量心电信号,目前已经基本可以完成血压、体温和血氧等生理参数的监测。范德堡大学研究的CareNet项目[8],该项目研究一个基于无线传感网络用于远程健康监护系统,提供医疗支持,可以从心电监测仪上收集生理参数,通过无线网络发送到服务中心,可以在医疗记录系统中高效地访问传感器网络数据进行诊断。弗吉尼亚大学研究的ALARM-NET项目[9],可以通过可穿戴式的传感器和环境传感器结合一起提供连续监测。该项目创建一个健康档案,利用传感器技术获取微弱的生理信号,如心电、血压等生理信号,利用无线网络传输,实现连续监控来满足对医疗保健的需求,提高医疗效率。在可穿戴式医疗监护领域中,国内起步比较晚,但现在也有很多高校和公司开始着手研究该领域。香港中文大学生物医学工程联合研究中心是国内研究可穿戴式监测领域比较早的研究结构,目前该研究中心已经在心电、血压和血氧饱和度等生理参数的监测中取得了实质性进展[10]。XX国立中文大学研究的无线的生理信号监测系统也具有很大的意义,它将Wi-Fi和蓝牙技术相结合,一起构成了一套监测系统。中国人民解放军空军航空医学研究所设计了一套可以测量心电信号、体温、心率等的监测设备。并且该设备可以继续扩展测量更多的生理参数[11]。直到科技发展至今,在我国的市面上已经出现了许多国内医疗厂商开发的各种便携式生理监测仪器,其中主要有北京美高仪、XX迈瑞等为代表的厂商,不过这些产品虽然在价格上相比国外设备有一定优势,但是也缺少一些数据服务器之类服务的普及。我国远程医疗正处于全面发展的阶段,可以预见,未来我国在该领域必将取得优异的成绩。1.3主要研究内容本文的研究内容为主要包括生理参数的采集,监测系统的下位机设计,无线通信,Android平台的远程医疗监护系统设计四大部分。监测系统的工作流程为生理参数采集模块在采集生理信息后,以串口或总线方式将数据发送到主控中心,再以无线的方式传输到手机上,从而显示出人体实时的生理参数数据。1．生理参数的采集。设计中的采集模块设计都采用模块化设计,设计主要包括对心电、心率和体温的测量。模块与单片机的数据传输是通过串口和总线的方式。2．监测系统的下位机设计。该部分设计主要包括了下位机的软件和硬件设计。硬件电路的主控芯片选用STM32芯片,硬件设计包括了复位电路、电源电路、报警电路、显示电路的设计。软件部分主要是处理模块采集的数据,将采集的数据按特定的格式传输到Android平台的智能手机上。3．无线通信。通过对比目前主流的无线通信技术,了解各类技术的优缺点,选择了蓝牙通信技术,蓝牙技术带宽合适且功耗低、稳定性高、穿透性强。4．基于Android智能手机手机的移动监护平台设计。用户界面完成的功能有显示生理参数的数据、绘制心电波形图,显示用户的生理参数数据。1.4作品难点与创新1.4.1创新1.本系统实现了基于Android平台的便携式医疗实时监测。2.搭建了智能手机Android应用软件开发平台,完成了多生理参数医疗监测软件系统。3.系统采用了STM32F103ZET6作为系统的处理模块,方便I/O接口与逻辑功能的扩展,方便开发人员进行系统的二次开发。4.采用模块化设计思想,各功能单元相对独立,便于测试,且有更好的扩展性。5.通过蓝牙,使智能手机与监测终端相连,实现数据的无线传输,使身体的生理参数实时的显示在智能手机上。1.4.2难点1.Android平台的搭建、开发以及在手机客户端上的详细软件功能设计。2.通过若干传感器对生理参数进行采集,并对采集到的数据进行处理和分析。各功能模块与单片机的数据通过串口和总线的方式传输,最终通过蓝牙发送到手机客户端上。3.基于蓝牙技术的智能手机与智能监护终端的虚拟串口通信和基于技术的智能手机与监护中心的通信。第2章监测系统总体方案设计2.1系统的总体设计方案系统要实现的是心电、体温的数据采集,主控单元对数据量进行处理分析,并通过无线方式传输到监护系统。实现无线可穿戴式人体健康监护系统的研究与设计[12]。系统的总体框图如图2-1所示。图2-1人体健康监测系统总框图主控中心选择的是STM32F103ZET6处理器,该处理器由意法半导体公司出品,在系统中其作用是对模块采集到的人体参数的数据量进行接收、解析、处理,以串口方式传输给无线模块,再以无线方式传输到Android手机上。无线模块部分采用蓝牙无线通信技术,蓝牙无线网运行在全球通用的2.4Hz内2400~2483.5波段的ISM〔工业、科学和医学频段上,蓝牙技术带宽合适且低功耗、稳定性高、穿透性强。2.2各功能模块的选择人体生理参数包括了心率、心电、体温参数,本文依据可穿戴式的设计特点采用了设计方案。心电模块使用BMD101芯片设计；体温测量使用单总线的DS18B20传感器,无需搭建其他电路就可以完成体温测量。这样模块化设计方便了系统的维护,也减少了研发成本。2.3设计方案对比传统的远程医疗保健技术在对患者进行诊断治疗中只是简单地集成了计算机网络技术、医学诊断技术、医疗保健技术以及临床检测工程技术。受当时技术限制,国内科研和医学界对远程医疗的研究也基本停留在、等有线传输生理数据的水平上,影响了远程医疗在医学上的使用范围。随着科学技术的飞速发展,远程医疗已经发展为了融合传感器技术、通信技术及计算机多媒体技术等信息技术,不受时空限制为远程提供医疗信息和服务的一门医学上衍生出来的多交叉应用学科,能实现疾病诊断治疗、日常监护、健康教育以及卫生保健等多种医学功能的医疗模式。基于android智能手机的移动监测终端,Android智能手机可以像个人电脑一样安装第三方软件,所以它们功能丰富,而且可以不断扩充。智能手机拥有独立的核心处理器〔CPU和内存,根据需要,实时扩展机器内置功能,因此,使用智能手机实时监测,使得现代意义下的远程监护更加人性化、实时化和智能化。2.4系统设计需求2.4.1系统功能要求本文设计的无线人体生理参数监测系统,主要针对于个人、家庭日常生活中的监护使用。针对这一特定的场景,系统的要求如下：1．体积小。穿戴式的的生理参数监测设备必须有体积小的特点,体积过大会造成使用者的舒适度下降,对使用者的生活活动带来不便。小体积的特点,更可以实现设备的长期穿戴,对监测更加有利。2．高可靠性。设计中要尽量减少电磁信号对系统的干扰,需要具有一定的抗干扰能力,系统采集的生理参数才具有参考价值。3．易操作。设计由于是针对个人使用,使用者可能不具有专业设备的操作水平,因此设计的操作步骤需要尽量的简洁。2.4.2生理参数监测系统的主要功能1．实时监测功能：能对体温、心率等生理参数进行采集。2．节点通信功能：监测设备可以通过蓝牙与手机客户端进行通信,将人体生理参数上传到监控中心的手机界面上。3．实时显示功能：系统采集的生理参数信息需要能在Android智能手机客户端界面实时地显示出来,绘制心电波形图。2.5本章小结本章主要对系统设计方案及系统设计需求进行综述。首先阐述了系统的总体设计方案,并且确定了使用的无线模块。通过对现有生理参数采集方案的比较,确定了生理参数的采集模块,为后续的硬件和软件设计提供必要的参数说明。第3章系统硬件设计本章将详述系统的硬件电路的搭建和各个功能模块的设计,实现基于Android平台的医疗监测系统所需的硬件平台。3.1硬件结构图本文的硬件平台总体的模块结构包括心电信号采集模块；温度检测模块；无线模块；电源模块以及主控中心。软件平台就是单片机程序的设计和Android手机软件的开发[13-15]。系统的总体结构如图3-1所示。图3-1总体结构图3.2中央处理单元电路设计3.2.1STM32F103ZET6处理器介绍本文采用ARMV7架构的STM32F103ZET6芯片作为中央处理器,该芯片的主要介绍如下[16]。1、Cortex-M3内核,512KBFlash,64KBRAM,LQFP144脚封装。2、32位RISC性能处理器,72MHz运行频率,CPU电压范围2.0-3.6V。3、快速可嵌套中断,6-12个时钟周期。4、硬件除法、单周期乘法。5、具有内存保护设定访问规则。6、支持JTAG,SWD调试。7、多达80个IO<5V逻辑>；4个通用定时器；2个高级定时器；2个基本定时器；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,总线为可兼容SRAMFlash、NORFlash和NANDFlash。8、AD输入与DA输出都是12位的,前者有三路后者有两路。图3-2STM32F103ZET6外围电路设计3.2.2系统电源设计本次设计的供电部分使用锂电池供电,5V锂电池具有能量比较高、使用寿命长、自放电率很低、重量轻、高低温适应性强、绿色环保等特点,同时符合便携式的特点。控制芯片STM32的供电使用AMS1117-3.3稳压器,可将5V电源稳定在3.3V,且保证了电流输出。系统中心电信号采集模块、脉搏血氧饱和度采集模块、温度数据采集模块都是3.3V电压,中央处理单元电压为3.3V,蓝牙模块电源为3.3V。图3-3电源电路存储电路设计图3-4Flash电路原理图本设计中选择使用FLASH储存器保存采集的生理参数信息。选用的FLASH芯片是华邦公司的SPIFLASH产品W25Q64,它有着8M字节的存储空间,足够保存长时间的生理信息。W25Q64还有超过10万次的擦写周期,每个设备都有唯一的64位ID,工作电压为2.7V到3.6V。而且这款存储器支持标准SPI接口,SPI是一种高速的全双工通信总线,只需连接4个引脚,大大节约了处理器资源,支持的最大SPI时钟可80MHz,可以和STM32的SPI接口配合,使用DMA方法快速读写数据。W25Q64芯片电路图如图3-4所示。其中,CS引脚是片选输入,CLK引脚是串行时钟输入,DO引脚是数据输出,DI引脚是数据输入,只需要将这4个引脚与STM32连接,通过程序配置SPI的工作模式后,就可以读写FLASH存储器中的数据。3.3心电、心率采集模块设计3.3.1心电心率数据采集模块本系统的心电、心率数据采集模块选用了BMD101芯片,首先BMD101的体积非常小,规格仅为3mm*3mm*0.6mm,功耗低,使用3.3V供电,其次作为一款数字芯片,它内置了模拟前端。针对采集到的生物信号,BMD101有一套专用的算法,因为拥有数字信号处理单元,可以精准的完成数据的计算。BMD101的功能非常强大,它有内置的专有的算法[17],同时固化了DSP来对采集的数字滤波进行计算,内部的系统管理单元是BMD101的核心,系统配置和通讯,运行和电源的管理都由此核心来完成。其目标应用就是临床心电监测和分析,心率的变异和监控,BMD101是单一芯片解决方案,体积小,功耗低,适用于便携式设备,可以很容易的整合到目标设备上。对于模拟前端的分析,主要是包括低噪音放大器和ADC。模拟前端的框图及其接口传感器和集成电路数字部分如图3-5所示。图3-5模拟前端的框图模拟前端<AFE>接收不同低振幅的模拟输入信号,信号通过高通滤波器<HPF>去除信号中包含的大其缓慢的直流成分,然后信号通过可编程增益低噪音放大器<LNA>,LNA输出被ADC转换为16位的数字量[18]。BMD101内置了传感器关闭<Sensor-off>检测能力,在两个传感器输入引脚之间,通常超过19-25兆欧会触发传感器状态。一种数字控制振荡器<DCO>也被包含在BMD101中,它提供了一个完全集成的22.1MHz时钟参考信号。3.3.2心电心率数据采集电路设计BMD101有一个独立的电源输入端VDD和用来限制心电信号中的噪音接地隔离电路,电路如图3-6所示。电路中的C1器件为滤波器组件。D1、D2为静电放电二极管,它们起到的作用是静电保护。SEP/SEN最好连接模拟地,隔离潜在的供应功率和噪声敏感的传感器线路。图3-6BMD101数据采集电路原理图3.4体温采集模块设计3.4.1体温测量传感器本设计使用DS18B20传感器,这款温度传感器体积小、抗干扰能力强、精度高,读取温度时使用单总线接口与单片机通信。使用DS18B20传感器,在可穿戴式设计中可以直接接触人体皮肤测量体温。DS18B20的测温范围为-55~+125℃,温度传感器的分辨率是可编程的,分别为9到12位,最高的精度可达0.0625℃,在使用9位精度测温时,温度转换数字的速度仅为93.75ms。DS18B20的内部主要由64位的ROM、温度传感器、温度报警触发器和配置寄存器组成。64位ROM主要是记录了温度传感器自身的地址序列号,保证了每个传感器具有特定的序列码,实现多个传感器的单总线测量。配置寄存器可以设置温度传感器的精度。DS18B20还具有报警功能,设置报警预设值TH和TL后,当传感器进行了温度转换后,会将温度值与报警预设置进行比较,若温度超出范围,就会将报警标识位置1。DS18B20的内部结构图如图3-7所示。图3-7DS18B20内部结构图图3-8DS18B20测温原理示意图DS18B20的测温原理如图3-8所示,高温度系数振荡器受到温度变化影响导致的振荡频率变化明显,产生的信号作为计数器2的脉冲输入,低温度系数振荡器受到温度变化的影响小,产生的信号作为计数器1的脉冲输入。首先预置-55℃对应的数值给减法计数器和温度寄存器中,当开始计数时,低温度系数振荡器产生脉冲信号,计数器1进行减法运算,当计数值为0时,温度寄存器的值加1,计数器1重新装载预置值,如此循环,当计数器2为0时,停止温度寄存器的累加,此时温度寄存器中的值即为所测温度。斜率累加器的作用为补偿和修正温度测量过程中的非线性误差,可以修正计数器1的预设值。读取DS18B20测量的温度时,只需写入0xBE指令,即可读出传感器内部RAM中的9位温度值。设计中设置DS18B20的分辨率为12位,则实际温度为得到的数值乘以0.0625,即可得到实际温度,如果测量的温度小于0℃时,需要将测得的二进制数取反后加1,再乘以0.0625才是实际温度值。3.4.2体温采集电路设计DS18B20温度传感器的工作电压为3.0~5.5V直流电源,本设计只需使用一个温度传感器,外部供电使用3.3V的电压供电,电路图如图3-9所示。图3-9DS18B20测温电路原理图3.5本章小结本章介绍了硬件平台的实现与组成,首先介绍了主控中心中央处理器的选择,依次介绍了主控中心的外围电路,生物传感器采集模块以及无线模块的电路设计,深入的分析了系统中硬件电路的功能和实现方法。第4章系统软件设计4.1Android系统简介4.1.1Android手机操作系统Android是谷歌在20XX11月05日是于年月日宣布的基于平合的开源手机操作系统的名称,该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成。软件栈如图中的元素组成,简单地说,就是将一个内核和一个库集合提供给整个应用程框架,而该应用程序框架为运行时和应用程序提供服务,并对它们进行管理。软件栈如图4-1中的元素组成,简单地说,就是将一个内核和一个库集合提供给整个应用程序框架,而该应用程序框架为运行时和应用程序提供服务,并对它们进行管理。图4-1Android系统结构框架Android系统包括Linux内核、库、Android运行时、应用程序框架和应用层五部分,具体内容如下：〔1Linux内核：核心服务〔包括硬件驱动程序、进程和内存管理、安全、网络和电影管理都由一个内核处理。内核还在硬件和软件栈的其他部分之间提供了一层抽象。〔2库：运行在内核之上,Android包含了各种C/C++核心库,例如,libc和SSL,以及用来回放音频和视频媒体的媒体库、提供管理显示的外观管理器、包含了2D和3D的SGL和OpenGL的图形库、支持本地数据库的SOLite、集成了Web浏览器和Internet安全的SSL和WebKit。〔3Android运行时：Android运行时可以让一个Android手机从本质上与一个移动Linux实现的手机区分开来。由于Android运行时包含了核心库和Dalvik虚拟机,因此,它是向应用程序提供动力的引擎,它和库一起形成了应用程序框架的基础。〔4应用程序框架：应用程序框架提供了用来创建Android应用程序的类。它还对硬件访问和对用户界面及应用程序资源的管理提供了一般抽象。〔5应用层：所有的应用程序,包括本地的和第三方的,都使用相同的库来构建与应用层之上。应用层运行在Android运行时之内,并且使用了可用的类和服务。用户通过安装在Android手机操作系统上的智能医疗应用程序和网关对人体的血氧饱和度、体温、脉搏等数据进行采集,数据通过手机端显示出来,用户根据显示的数据判断自己身体健康状况。4.1.2系统功能模块本监护系统中智能手机应用程序功能框图如图4-2所示,其中数据显示一共分为三个功能模块：心电模块,体温模块,血氧模块。系统构建于应用层之上,旨在为各个子模块提供统一的主程序界面及相应功能。图4-2生理参数功能展现图4.2系统程序总体设计4.2.1系统设计在整个系统中,传感器数据采集成功,传输到主控中心,主控中心根据特定数据的传输格式对数据进行处理,网络连接成功,数据通过无线传输到手机界面上,根据网络传输协议进行Android编程,Socket实现通信接口,TCP并发服务器,多线程技术完成手机的UI界面,实现对人体健康参数的接收与显示。主控中心程序流程图如图4-3所示。图4-3主控中心程序流程图生理参数监测设备与智能手机使用蓝牙通信,使用的蓝牙模块采用XX汇承信息科技生产的HC-05芯片。HC-05是民用级,支持当前绝大多数手机蓝牙设备,并可向上兼容其他更高协议。该模块具有集成度高、稳定性好、功耗低、外围电路少等优点,完全满足本系统的需求,图4-4是蓝牙模块的外围电路。其中STATUS_OUT是输出状态指示灯引脚,未连接蓝牙时D1会闪烁,MOD引脚是蓝牙AT模式选择引脚；RXD和TXD是串口通信接口,实现串口通信功能。图4-4蓝牙模块外围电路4.2.2数据传输单片机与蓝牙模块直接的数据传输使用DMA方法,使用DMA方法不需要CPU参与传输过程,只需CPU响应DMA的请求后,DMA控制器会直接执行数据传送过程。在DMA的控制下,整个数据传输过程不需要CPU的干预,不会影响生理参数的采集,并且会大大提高CPU的使用效率和数据传送的速度。系统数据传输流程图如图4-5所示。图4-5系统数据传输流程图4.3蓝牙简介Android2.0及以上版本,平台提供官方蓝牙用来蓝牙操作和蓝牙连接通信。移动网关的蓝牙操作过程包括打开本地蓝牙,查找传感器设备,建立连接和进行数据传输四部分。蓝牙技术为通信设备提供了一种近距离无线连接的方式,以便设备之间能以无线方式进行数据同步化及数据传输。蓝牙标准可分别支持1、10、100三种不同的通信距离,并可提供最高速率达10Mbps的通信速率。蓝牙标准提供点对点串行通信和点到多点共享信道的主控制器接口的通信方式,这样非常适合人体局域网的搭建。解除线路或电缆的束缚连接,并提供包括网络在内的宽范围标准设备和通信选项的入口,使得蓝牙技术在小型的移动通信设备和便携式医疗监护设备等仪器研制方面大有用武之地。在穿戴式生物医疗仪器中选择蓝牙技术的原因主要有：①传输距离远：无线传感器的信号一般要受电源和功率的限制,蓝牙支持10m-100m的通信距离能不受影响地传输生理信号。②传输速率快：蓝牙技术能以高达433.9Kb/s的比特率传输任何生命特征的数据。③安全性高：蓝牙技术采取了严密的安全机制,如在基带上提供对传输数据的加密机制以及在链路管理器上提供鉴权机制,且传输生理信号时蓝牙技术能充分实现识别和编码机制。④便携性好：蓝牙模块的设计尺寸要比一般的射频〔RF装置小,无线收发器的控制程序可烧写在仅为8mm×8mm的微型芯片上,这样集成有蓝牙模块的网关不占体积,适合于在对设备体积有要求的微型无线传感器网络系统中使用。⑤相较于其他短距离无线通信技术而言,蓝牙技术带宽合适且低功耗、穿透性强、稳定性高[19]。4.4Socket通信接口人体健康监护系统的数据要求准确,且是端到端的。本文选择基于TCP协议,在整个数据传输中,当蓝牙连接建立后智能手机便可以通过获取到的地址进行无线连接。本文系统中,根据数据传输可靠性和传输速率的要求,在整个数据传输的过程中使用TCP/IP协议进行传输,整个过程如图4-6所示,使用流式套接口在中心服务器端和智能手机端建立连接。图4-6Socket通信流图由于无法确定客户端的具体套接字,所以中心端始终处于Listen〔监听状态,监听着客户端的连接申请,直到客户端发出连接请求,才会进行连接。而客户端在向中心服务器端发送请求时,必须先知道需要请求的中心服务器端的套接字地址和端口号,而且其对端口套接字的描述必须满足中心服务器端的要求,这是发送正确连接请求的前提条件。然后将这些信息通过套接字向中心服务器提出连接请求。当整个系统满足上述两种条件时,如果中心服务器端收到客户端连接套接字请求,且套接字地址和端口号正确,中心服务器端将做出响应。从而中心服务器和客户端建立一个新的连接。当这个新的成功建立之后,便可通过该链接在两则之间传输数据。第5章系统测试与实现移动监护平台上的软件系统是在基于Android操作系统的智能手机模拟器v2.3版本上,采用Sun公司的Eclipse软件作为开发工具,在前述节配置好的开发环境里使用Java技术语言编程实现。系统构建于Android应用层之上,旨在为各个子模块提供统一的主程序界面及相应功能。5.1系统主界面实现用户在点击App<Application,应用程序>图标进入系统,APP图标如图5-1所示。点击图标后进入系统主界面,如图5-2所示。图5-1APP图标图5-2系统主界面5.2心电模块实现点击心电图标进入心电测试界面,心电测试界面如图5-3所示。点击开始,蓝牙会自动连接,输入相应的年龄,会自动绘制出心电信号波形,图5-4,5-5是输入年龄分别为20和25时所测波形。5-3心率测试界面5-4输入年龄为20岁时的心电图5-5输入年龄为25岁时的心电图5.3测温模块的实现点击温度图标进入人体体温测试界面,体温测试界面如图5-6所示。点击开始,蓝牙会自动连接,这是在手机屏幕上会实时的显示正在测试的体温,如图5-7所示。图5-6体温测试界面图5-7体温显示界面5.5本章小结本章针对系统的功能进行了真实的监测,对心电测试和体温测试做出了实际检测,测试了可穿戴式医疗设备实现的可能性,并能通过Android智能手机客户端对数据进行实时的监测,测试结果表明本设计符合设计要求。结论本设计针对当今可穿戴式医疗这一热门研究课题,结合国内外可穿戴式医疗设备设计思想,深入探索基于Android手机的穿戴式医疗监测设备,结合具体的项目要求和技术规范设计了基于Android手机的可穿戴式医疗监测设备。该系统通过蓝牙技术实现无线通信,并能对所测对象进行实时监测,以确定被测对象的安全。主要完成的工作与成果如下:1.采用工业级处理器STM32F103ZET6芯片作为硬件平台处理核心,实现了高效率、低成本、实时性好、可靠性高的医疗监测系统。2.实现了对心电信号及温度的数据采集模块的设计。选用Android操作系统,是Google发布的移动平台操作系统,从应用程序框架层和系统移植方面来说,android有绝对优势,android的开源特性使其在底层方面优于其他操作系统,可将自己修改的代码定制在自己的系统或者移植到自己的平板或手机等硬件设备上。通过蓝牙协议,实现了无线传输,使得监测系统能够实时的监测数据并将数据显示在手机界面上。本系统符合用户的设计要求,未来可能进行的工作:1.本系统的设计尚处于研究的初级阶段,虽然可以初步实现功能,但是其采集模块不集中,需要对硬件电路部分进一步改进,设计体积更小的可穿戴式的生理传感器。2.可以增加更多的人体生理信号采集模块,以实现更完善的医疗监护网络。3.只能手机客户端设计,现在手机上只能显示数据,不能对数据进一步的保存和分析,需对客户端软件进一步优化。参考文献MatzeuGiusy,FloreaLarisa,DiamondDermot.Advancesinwearablechemicalsensordesignformonitoringbiologicalfluids[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,20