任勝楠

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,陜西 西安　710000)

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基于WiFi的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

任勝楠

(西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院,陜西 西安710000)

摘要針對(duì)現(xiàn)有醫(yī)療條件無(wú)法滿足人們需求的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的無(wú)線家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了基于HF-LPB100的WiFi通信解決方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)護(hù)者的體溫、心率、血壓體征參數(shù)的采集,并通過(guò)WiFi無(wú)線模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端存儲(chǔ)。同時(shí),家人和醫(yī)生可通過(guò)智能手機(jī)隨時(shí)查看被監(jiān)護(hù)者的體征參數(shù)。此外,還對(duì)系統(tǒng)軟硬件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了說(shuō)明,通過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試,證明了該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的使用價(jià)值,測(cè)量誤差小,為醫(yī)生進(jìn)一步治療提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞WiFi;STM32;健康監(jiān)護(hù);Android

隨著科技的進(jìn)步,信息產(chǎn)業(yè)也高速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)被稱為世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮,成為業(yè)界公認(rèn)的推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)下一個(gè)高速發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、航空航天以及海洋開(kāi)發(fā)和探索等各個(gè)領(lǐng)域中,并解決了諸多實(shí)際的工程問(wèn)題。與此同時(shí),基于無(wú)線網(wǎng)的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。

縱觀目前遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀,可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)前的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)相對(duì)比較大型固定,不利于在家庭中使用。無(wú)線家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有無(wú)需網(wǎng)絡(luò)布線,使用簡(jiǎn)單方便,擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。醫(yī)生和家人在電腦前或使用智能手機(jī)便可查看病人的體征信息參數(shù)。家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)通過(guò)WiFi將傳感器采集到的被監(jiān)護(hù)者的體溫、心率、血壓等體征參數(shù)發(fā)送到服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ),醫(yī)生及家人可通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)或手機(jī)查看,一方面若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可及時(shí)去醫(yī)院治療,以免延誤病情,另一方面可為日后的醫(yī)療方案提供依據(jù)。

1WiFi無(wú)線通信技術(shù)

WiFi全稱是Wireless Fidelity,是IEEE定義的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),又稱為IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn),其是一種可將個(gè)人電腦、手持設(shè)備等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)。事實(shí)上其是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌,由WiFi(WiFi Alliance)聯(lián)盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品之間的互通性。該技術(shù)使用的是2.4 GHz的頻段,主要特性為:速度快、可靠性高,在開(kāi)放區(qū)域,通信距離可達(dá)305 m,在封閉區(qū)域,通信距離為76～20 m。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要由3部分組成:(1)STM32[1]單片機(jī)和體溫、心率、血壓傳感器組成的數(shù)據(jù)采集模塊;(2)WiFi無(wú)線收發(fā)模塊和無(wú)線路由器;(3)服務(wù)器、智能手機(jī)和遠(yuǎn)程電腦。

該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端以STM32F103RB單片機(jī)為主控芯片,利用溫度、心率、血壓傳感器將采集到的被監(jiān)護(hù)者的體征參數(shù)傳遞給單片機(jī)處理,單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給WiFi模塊,由WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。家中的無(wú)線路由器進(jìn)行中轉(zhuǎn),可通過(guò)智能手機(jī)和遠(yuǎn)程電腦查看體征參數(shù)[2-4]。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要是信息采集端,包括STM32單片機(jī)、傳感器和WiFi模塊。信息采集端結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2　信息采集端結(jié)構(gòu)框圖

3.1STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)

主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送,該系統(tǒng)選用的是STM32F103RB,STM32是意法半導(dǎo)體公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的基于ARM Cortex-M內(nèi)核的高性能產(chǎn)品。103系列為增強(qiáng)型產(chǎn)品,工作頻率72 MHz,有片內(nèi)RAM和豐富的外設(shè)。

各體征參數(shù)傳感器通過(guò)通用I/O口與單片機(jī)相連,WiFi無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)串口UART與單片機(jī)相連。供電部分采用6 V鋰電池供電,使采集端更方便移動(dòng),不受電源接線限制[5-7]。

3.2傳感器模塊

該部分由體溫、心率、血壓3種傳感器組成。體溫傳感器采用DS18B20溫度傳感器[8],DS18B20是一種價(jià)格便宜的數(shù)字溫度傳感器,其的優(yōu)點(diǎn)有:體積小巧、測(cè)溫快、測(cè)溫分辨率高、測(cè)溫范圍為-55～125 ℃,性能穩(wěn)定,在醫(yī)院體溫檢測(cè)中得到了一定的應(yīng)用。心率傳感器采用Pulse Sensor,其是一款用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器,將其佩戴于手指或者耳垂等處,通過(guò)導(dǎo)線可將采集到的模擬信號(hào)傳輸給單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算后便可得到心率數(shù)值。Pulse Sensor如圖3所示,傳感器共有3個(gè)接口,反面朝上時(shí),從左至右依次是心率信號(hào)輸出端(S端口)、電源輸入端和接地端。電源輸入端可接3.3 V或5 V直流電源,在此選擇3.3 V電源。S端口輸出為0～3.3 V的模擬信號(hào),S端口與STM32單片機(jī)PA0口相連,通過(guò)STM32內(nèi)部的ADC采樣、轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),再經(jīng)計(jì)算得出心率值[9]。

圖3　Pulse Sensor圖

血壓傳感器采用壓力傳感器US9116-006N,其是細(xì)微加工硅材料而成的傳感器,外形是六腳雙列直插式封裝。它是一種較為理想的元件,無(wú)需補(bǔ)償,且具有低滯后性、高可靠性和穩(wěn)定性。將感應(yīng)到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào),且是線性對(duì)應(yīng)的。

3.3WiFi通信模塊

WiFi通信模塊選用漢楓公司生產(chǎn)的HF-LPB100嵌入式WiFi模組,其提供了一種將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上,并提供UART串口等接口傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。該模塊硬件上集成了MAC,基頻芯片,射頻收發(fā)單元,以及功率放大器;嵌入式的固件則支持WiFi協(xié)議及配置,以及組網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議棧。HF-LPB100是一款一體化的802.11 b/g/n的低功耗解決方案。通過(guò)HF-LPB100模組,傳統(tǒng)的低端串口設(shè)備或MCU控制設(shè)備均可方便地接入WiFi網(wǎng)絡(luò)。

4軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為STM32為主控芯片的采集模塊應(yīng)用程序設(shè)計(jì)、WiFi模塊通信參數(shù)配置和Android手機(jī)客戶端的編寫(xiě)。

4.1采集模塊應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

采集端的主要任務(wù)是采集被監(jiān)護(hù)人的各項(xiàng)體征參數(shù),將采集到的數(shù)據(jù)傳送給WiFi模塊,當(dāng)模塊檢測(cè)不到被監(jiān)護(hù)人的體征參數(shù)時(shí)將系統(tǒng)設(shè)置為休眠狀態(tài),當(dāng)有參數(shù)被檢測(cè)到時(shí),系統(tǒng)被喚醒,同時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)的采集和傳輸。主程序軟件流程圖如圖4所示。

圖4　主程序軟件流程圖

4.2WiFi無(wú)線傳輸模塊

WiFi模塊在系統(tǒng)中起了關(guān)鍵性的作用,其是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站,模塊通過(guò)串口接收到數(shù)據(jù)后,將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送給手機(jī)客戶端和路由器,路由器與Internet相連,將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器,使得遠(yuǎn)程電腦和手機(jī)也能查看被監(jiān)護(hù)人的體征參數(shù),隨時(shí)查看被監(jiān)護(hù)人的身體狀況,醫(yī)生可及時(shí)獲得病人的身體健康狀況,根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)及時(shí)制定合理的治療方案。

HF-LPB100無(wú)線收發(fā)模塊可配置為3種網(wǎng)絡(luò)類型:AP、STA、AP+STA。其中AP為無(wú)線接入點(diǎn),是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),通常使用的無(wú)線路由器就是一個(gè)AP,其他無(wú)線終端可通過(guò)AP相互連接。STA為無(wú)線站點(diǎn),是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端,如筆記本電腦、智能手機(jī)、PDA等。本系統(tǒng)中選用第二種網(wǎng)絡(luò)配置,如圖5所示。

圖5　HF-LPB100基本的無(wú)線組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

由于HF-LPB100支持串口透明傳輸模式,在與STM32通信時(shí),只需做如下參數(shù)設(shè)置:無(wú)線網(wǎng)絡(luò)參數(shù),包括網(wǎng)絡(luò)名稱、安全模式、密鑰;默認(rèn)TCP/UDP連接參數(shù),包括協(xié)議類型、連接類型(Server或Client)、目的端口、目的IP地址;串口參數(shù)包括波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、硬件流控。

4.3手機(jī)客戶端(APP)的編寫(xiě)

系統(tǒng)采集端采集到的數(shù)據(jù)在Android智能手機(jī)客戶端顯示,Android是由谷歌和開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟支持的一個(gè)手機(jī)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接方式,如GPRS、WiFi、藍(lán)牙等。通過(guò)以上方式,Android手機(jī)能夠方便地通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。同時(shí),可訪問(wèn)Internet及網(wǎng)絡(luò)上的各種服務(wù)器。Android框架還提供了對(duì)HTTP等通訊協(xié)議的支持。

Android智能手機(jī)客戶端應(yīng)用軟件是在Eclipse平臺(tái)使上使用Android SDK開(kāi)發(fā)的,Eclipse是一個(gè)開(kāi)源、基于Java的可擴(kuò)展開(kāi)發(fā)平臺(tái),就其本身而言,是一個(gè)框架和一組服務(wù),用于通過(guò)插件組件構(gòu)建開(kāi)發(fā)環(huán)境。Android 應(yīng)用程序是以許多Android API組件為基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的,當(dāng)前活動(dòng)程序Activity,是最常用的應(yīng)用程序組件,可將其簡(jiǎn)單地理解成用戶所看到的屏幕,稱之為“活動(dòng)”,用于處理程序的整體性工作,對(duì)onCreat()、onStart()、onRestart()、onResume()、onStop()、onDestory()等方法的調(diào)用實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行、開(kāi)始、暫停、停止、銷毀等狀態(tài)。例如觸摸屏幕、監(jiān)聽(tīng)Button按鍵,顯示圖像和啟動(dòng)其他Activity。根據(jù)系統(tǒng)功能需求,客戶端軟件在啟動(dòng)時(shí)向后臺(tái)服務(wù)程序請(qǐng)求被監(jiān)護(hù)者的體征數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)體現(xiàn)在ListView中,這樣就方便使用者看到自己的健康數(shù)據(jù),同時(shí)軟件還可通過(guò)菜單查詢按鍵向使用者提供以往的健康數(shù)據(jù),從而達(dá)到更好地監(jiān)控健康狀態(tài)的目的,開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件如圖6和圖7所示。

圖6　客戶端顯示界面

圖7　客戶端菜單顯示界面

5測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試,測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行正常,并對(duì)系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)和儀器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,表1和表2為1天內(nèi)對(duì)同一被監(jiān)護(hù)對(duì)象所測(cè)的5次數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行,STM32強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力為體溫、心率和血壓數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送提供了重要保證。串口(UART)轉(zhuǎn)WiFi數(shù)據(jù)傳輸模塊的利用,大幅縮短了無(wú)線WiFi網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)時(shí)間,Pulse Sensor心率傳感器將光電容積法作為心率及脈搏的測(cè)量方法,使開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單、可靠[10-12]。

6結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前的健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)不利于在家庭中使用的問(wèn)題,提出了一種基于WiFi的家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng),該系統(tǒng)在WiFi無(wú)線網(wǎng)覆蓋下,可實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)護(hù)者體征參數(shù)的自動(dòng)化采集和傳輸,其不僅用于被監(jiān)護(hù)的病人,處于亞健康狀態(tài)的人群以及老年人均可使用,在發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí),可及時(shí)就醫(yī)。測(cè)試表明,該系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定,測(cè)量誤差較小,可用于家庭的日常監(jiān)護(hù)。

表1　體征參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表2　體征參數(shù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

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Home Health Monitoring System Based on WiFi

REN Shengnan

(School of Information and Control Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710000,China)

AbstractA wireless home health monitoring system based on WiFi is designed to provide better medical service.The system uses the WiFi communication solution based on HF-LPB100 for the collection of temperature,heart rate and blood pressure data,which are sent to the server and stored in the WiFi wireless module.Family members and doctors can monitor the physical parameters of the monitored personnel at any time by the smart phone.The realization of the software and the hardware of the system are described in detail.The detailed design and test prove that the practical system has small measurement error and provides doctors with a reliable basis of further treatment.

KeywordsWiFi;STM32;health monitoring;Android

中圖分類號(hào)TN926+.24;TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-7820(2016)02-048-05

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.02.013

作者簡(jiǎn)介:任勝楠(1989—),女,碩士研究生。研究方向:檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

收稿日期:2015- 06- 23