張 成，禹素萍，許武軍，梁 威（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；.上海大眾汽車有限公司，上海 201804）

一種基于Android終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

張 成1，2，禹素萍1，2，許武軍1，2，梁 威3
（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；3.上海大眾汽車有限公司，上海 201804）

研究并實(shí)現(xiàn)了一種將智能手機(jī)與人體生理參數(shù)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種基于Android終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以測(cè)量人體的體溫、呼吸頻率和心率等參數(shù)。詳細(xì)描述了系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，確定了方案的可行性、科學(xué)性。

家庭監(jiān)護(hù)；Android；智能設(shè)備；多生理參數(shù)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)，隨著人們物質(zhì)水平的不斷提高，人們對(duì)自身的健康問題也越發(fā)重視，人們對(duì)疾病控制逐漸從治療模式走向預(yù)防模式。

傳統(tǒng)的個(gè)人預(yù)防保健需要人們到各大醫(yī)院進(jìn)行體檢，效果雖好但缺乏便捷性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)短周期內(nèi)多次測(cè)量。在這樣的背景下，家用醫(yī)療生理參數(shù)監(jiān)測(cè)設(shè)備［1］應(yīng)運(yùn)而生。然而市面上的大多數(shù)設(shè)備都只能測(cè)量對(duì)應(yīng)的其中某一項(xiàng)生理參數(shù)，且價(jià)格昂貴。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，尤其是ARM架構(gòu)的不斷更新和完善，家用級(jí)別尤其是便攜式的可穿戴設(shè)備成為當(dāng)今炙手可熱的一個(gè)研究方向。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與思路

本文設(shè)計(jì)的一款基于Android智能終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。與以往的獨(dú)立的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)設(shè)備不同，本系統(tǒng)通過USB物理連接線，將采集到的信號(hào)通過協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片在智能終端上進(jìn)行接收、處理和顯示。

運(yùn)用Android Open Accessory標(biāo)準(zhǔn)接口，將支持I2C接口的各傳感器接收到的數(shù)字信號(hào)通過I2C傳輸協(xié)議傳遞給FT311D芯片，而FT311D作為一個(gè)數(shù)據(jù)的橋接部分，運(yùn)用谷歌公司開發(fā)的Android Open Accessory接口，將數(shù)據(jù)傳送到Android智能終端，在終端的應(yīng)用程序中對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理和分析后，將各項(xiàng)人體生理參數(shù)顯示在應(yīng)用程序界面中，使得用戶直觀明了地獲取到最新的生理數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)有硬件部分和軟件部分。硬件部分由操作系統(tǒng)版本為4.1.2的安卓智能手機(jī)、協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片、紅外測(cè)溫傳感器和高分辨率氣壓傳感器4個(gè)部分構(gòu)成。軟件部分主要是安卓應(yīng)用程序，用于提供人機(jī)交互界面、執(zhí)行操作和數(shù)據(jù)處理。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

在硬件連接方面，運(yùn)用FT311D芯片作為橋接，通過USB HOST線接入Android設(shè)備，通過Android Open Accessory［2-4］開放式API將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid設(shè)備中。需要注意的是，F(xiàn)T311D需要外部電源系統(tǒng)為其供電（包括鋰電池）。基于Android系統(tǒng)智能終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件概圖如圖1所示。

圖1 基于Android終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件概圖

FT311D是一款專門針對(duì)Android平臺(tái)開發(fā)的芯片，它基于Google公司推出的AndroidOpenAccessory標(biāo)準(zhǔn)，通過使用USB技術(shù)提供與終端產(chǎn)品系統(tǒng)的內(nèi)部連接［5］。FT311D是標(biāo)準(zhǔn)的3.3V供電，在48MHz充分工作時(shí)吸收電流僅為25mA，待機(jī)模式下耗電為128μA，能夠?qū)SB端口橋接到6個(gè)不同的用戶可選擇的接口類型，即GPIO、PWM、UART、I2C、SPI從控端和主控端［6］。它可以用于連接支持Android開源配件模式的任何平臺(tái)。

FT311D的右側(cè)是兩個(gè)通過I2C接口連接的傳感器芯片，分別是MLX90615紅外測(cè)溫傳感器［7］和MS5805-02BA01絕對(duì)氣壓傳感器［8］。其中，紅外測(cè)溫傳感器直接測(cè)量耳膜的溫度；絕對(duì)氣壓傳感器的間接測(cè)量參數(shù)有兩個(gè)，它可以通過測(cè)量耳道內(nèi)部的氣壓變化，經(jīng)過信號(hào)處理后，間接測(cè)量出呼吸頻率、心率等參數(shù)。整個(gè)集成的傳感器外觀與普通入耳式耳機(jī)相似。

2.2 信號(hào)處理

首先，對(duì)于體溫信號(hào)，可以通過MLX90615芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供的計(jì)算公式，將測(cè)量值映射到人體生理體溫變化范圍之內(nèi)的值；對(duì)于耳道氣壓參數(shù)，需要先以一定的頻率對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)采用快速傅里葉變換算法［9-10］FFT（Fast Fourier Transformation）得到信號(hào)的頻譜特性，再分別提取出心率和呼吸頻率。

正常的人體呼吸頻率為0.15Hz～0.5Hz之間，心率的頻率為1Hz～2Hz之間。按照奈奎斯特采樣定理，要求采樣頻率一定要大于等于被采樣信號(hào)最高頻率分量的兩倍以上，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的5～10倍。為了獲得較高的精確值和計(jì)算方便，本系統(tǒng)采樣頻率fs=10Hz，即每秒采集10個(gè)數(shù)據(jù)。

在FFT算法中，輸入的是一個(gè)離散的信號(hào)數(shù)組，其個(gè)數(shù)N一般取2的n次冪，結(jié)合采樣頻率，為了使得采樣總時(shí)間控制在用戶可接受的范圍之內(nèi)，取256個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)，即N=256。因此，采樣時(shí)間T=256/10=25.6s。這是每測(cè)量一次測(cè)量呼吸頻率和心率參數(shù)時(shí)所需要等待的最短時(shí)間。

但在傳感器測(cè)量的過程中，會(huì)存在一定的噪聲信號(hào)干擾，需要對(duì)其他不必要的諧波信號(hào)進(jìn)行過濾。由于呼吸頻率和心跳頻率的取值范圍分離在兩個(gè)不同的區(qū)域，因此在信號(hào)處理中，可以設(shè)定兩個(gè)沒有交集的窗函數(shù)，進(jìn)行比較和取值。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 Android應(yīng)用程序主要結(jié)構(gòu)

Android應(yīng)用程序的開發(fā)是本文所要完成的工作之一，需要針對(duì)課題要求定義的功能進(jìn)行編程工作。

正如前文所述，F(xiàn)T311D芯片提供了I2C主機(jī)接口與外部通信，而在Android終端設(shè)備上，需要運(yùn)行一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的應(yīng)用程序?qū)φ麄€(gè)傳輸過程進(jìn)行控制，并提供人與機(jī)器之間的交互界面?；贔T311D I2C模式的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于FT311D I2C模式的Android應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)示意框圖

如圖2所示，USB箭頭下面范圍內(nèi)的部分是Android的應(yīng)用程序端，它通過USB線與FT311D芯片進(jìn)行連接，將FT311D配置為USB轉(zhuǎn)I2C接口。上面再與I2C接口的傳感器芯片進(jìn)行連接，其中只需要一條I2C總線，最多可以同時(shí)接入128個(gè)I2C設(shè)備。

從下面的FTDI FT311D App中可以看見，程序中的編程分為兩個(gè)層面：第一層是FT311-I2C Layer，主要是將上層的I2C的控制參數(shù)打包成USB數(shù)據(jù)包的格式，通過USB協(xié)議與FT311D芯片進(jìn)行通信，其內(nèi)部提供USB讀寫的API方便上層文件對(duì)其進(jìn)行調(diào)用；第二層是I2CUser Layer，主要實(shí)現(xiàn)用戶層的交互功能，包括人機(jī)界面的提供，按鈕、文本框和輸入框的構(gòu)建，各類組件的行為定義和信號(hào)處理算法功能的實(shí)現(xiàn)。

2.3.2 Android應(yīng)用程序功能流程框圖

在Android程序開發(fā)之前，需要對(duì)所開發(fā)的程序功能進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。程序的功能框圖如圖3所示。

2.3.3 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)與介紹

依據(jù)程序方案的設(shè)想，該程序中包含3個(gè)顯示界面：主界面、體溫測(cè)量界面和呼吸頻率和心率測(cè)量界面。單擊應(yīng)用程序圖標(biāo)，程序運(yùn)行后彈出主頁(yè)面，如圖4所示。

點(diǎn)擊“體溫”按鈕，進(jìn)入體溫測(cè)量界面，如圖5所示：點(diǎn)擊界面中的“測(cè)量”按鈕，就可以獲得傳感器測(cè)量得到的體溫值，顯示在當(dāng)前界面設(shè)定的文本框中；點(diǎn)擊“返回”按鈕可以回到主界面。點(diǎn)擊“呼吸頻率”和“心率”按鈕，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的呼吸頻率及心率測(cè)量界面，與體溫測(cè)量界面類似。

圖3 程序功能流程設(shè)計(jì)框圖

圖4 主菜單界面圖

圖5 體溫菜單界面

3 測(cè)試與驗(yàn)證

3.1 體溫結(jié)果測(cè)試

為了確保該應(yīng)用程序的可靠性和科學(xué)性，需要進(jìn)行多次不同場(chǎng)景下的重復(fù)試驗(yàn)。表1中的數(shù)據(jù)顯示的是某人在5月4日這天的不同時(shí)間段運(yùn)用該系統(tǒng)的體溫測(cè)量功能采集到的體溫?cái)?shù)據(jù)，并與市面上傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行比較。

表1 不同測(cè)量方法和測(cè)量時(shí)段下的溫度采集數(shù)據(jù)

兩種測(cè)量方法的測(cè)量部位存在差異（耳道和腋窩），并且在測(cè)量和讀取的過程中也會(huì)存在一定的誤差，然而在這樣誤差存在的情況下，該系統(tǒng)的測(cè)溫功能依舊可以與傳統(tǒng)的測(cè)溫設(shè)備所測(cè)得的值幾乎保持一致，證明系統(tǒng)在使用過程中具有一定的可靠性。

3.2 心率及呼吸頻率測(cè)試

當(dāng)信號(hào)采集和處理結(jié)束之后，在相應(yīng)的參數(shù)文本框中會(huì)顯示所測(cè)量的參數(shù)結(jié)果，測(cè)量結(jié)果顯示，呼吸頻率為25次/min，心率為 79次/min，分別屬于對(duì)應(yīng)參數(shù)值中的正常范圍［11］（正常范圍：心率60～120次/min，呼吸頻率10～30次/min），證明了系統(tǒng)的可靠性。

3.3 數(shù)據(jù)處理分析

針對(duì)以上的程序運(yùn)行結(jié)果，為了驗(yàn)證其在采集過程中和信號(hào)處理過程中的正確性，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的驗(yàn)證，檢驗(yàn)程序的運(yùn)行結(jié)果是否符合科學(xué)性。

將數(shù)組中存放的采樣結(jié)果作為fft函數(shù)的輸入?yún)?shù)x［256］，調(diào)用fft（）函數(shù)進(jìn)行快速傅里葉變換得到幅頻響應(yīng)數(shù)組y［256］。運(yùn)用plot命令作出信號(hào)的時(shí)域圖和經(jīng)FFT變換后的幅頻特性曲線圖分別如圖6和圖7所示。

圖6 信號(hào)的時(shí)域波形圖

圖7 信號(hào)的幅頻特性曲線圖

在呼吸頻率的鑒定中，從生理的角度來說，呼吸頻率的范圍為10次～30次/min，即頻率范圍為0.15 Hz～0.5Hz；心跳頻率的范圍為60次/min到120次/min，即頻率范圍為1Hz～2Hz。

圖7中，對(duì)應(yīng)頻率0.43Hz時(shí)的頻率響應(yīng)幅值最高，為425 550。在呼吸頻率的允許范圍之內(nèi)，有且只有一個(gè)明顯的峰值，因此有理由相信信號(hào)的該頻率分量是由呼吸影響氣壓變化而產(chǎn)生的，對(duì)應(yīng)的頻率為25次/min。

圖7中對(duì)應(yīng)心跳頻率范圍內(nèi)，有且只有一個(gè)明顯的峰值，頻率為1.32Hz對(duì)應(yīng)幅值為58 084，因此有理由相信信號(hào)的該頻率分量是由心跳搏動(dòng)影響氣壓變化而產(chǎn)生的，對(duì)應(yīng)的頻率為79次/min。

至此，在保證數(shù)據(jù)采集正確性的前提下，從理論上驗(yàn)證了FFT算法在Android程序中執(zhí)行的正確性，也確定了該程序的可操作性。

4 結(jié)論

本文的主要研究?jī)?nèi)容是將最普及且處理性能越發(fā)強(qiáng)大的 Android智能終端和家庭個(gè)人生理參數(shù)監(jiān)護(hù)功能合二為一，提出一種集便捷性、經(jīng)濟(jì)性和科學(xué)性等優(yōu)勢(shì)于一身的基于Android智能終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。但是本文的研究也有很多方面需要改進(jìn)和完善，這也是接下來的工作重點(diǎn)：

（1）本文中所用到的傳感器要放置在耳道內(nèi)，對(duì)于測(cè)量的環(huán)境要求比較高，尤其是耳道內(nèi)氣壓的測(cè)量需要測(cè)量環(huán)境具備一定程度的密封性。因此在傳感器與人體接觸的合理化方面的問題還需要繼續(xù)改善。

（2）測(cè)量所得的參數(shù)數(shù)據(jù)僅僅限于Android設(shè)備本地端使用，在共享性方面上還有一定的局限性。可以通過添加網(wǎng)絡(luò)模塊，將本地?cái)?shù)據(jù)與云端服務(wù)器相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的醫(yī)療保健監(jiān)控，使得整套系統(tǒng)更具備科學(xué)性。

［1］趙儒哲，許武軍，曾凱，等.EPICECG穿戴裝置的心臟疾病預(yù)警算法研究研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（24）：95-97.

［2］JAVALE D，MOHSIN M，NANDANWAR S，et al.Home automation and security system using Android ADK［J］.International Journal of Electronics Communication and Computer Technology，2013，3：382-385.

［3］B?HMER M.Beginning Android ADK with Arduino［M］.A-press，2012.

［4］G?BEL S，JUBEH R，RAESCH S-L，et al.Using the Android platform to control robots.Kassel University Germany［J/OL］.［2015-01-26］.www.innoc.at/fileadmin/user_upload/_temp_/RiE/Proceedings/65.pdf.

［5］Tian Dan，Yong Wang.A UWB through-wall-detection radar system based on Android devices［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，333：1518-1522.

［6］廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司.I2C總線概要：產(chǎn)品應(yīng)用手冊(cè)［S］.2006.

［7］魏計(jì)林，吳海洋，邱選兵.基于 MLX90615的紅外耳溫計(jì)設(shè)計(jì)［J］.光機(jī)電信息，2011，28（6）：35-38.

［8］HIIPC，CHUNG W Y.A comprehensiveubiquitous healthcare solution on an AndroidTMmobile device［J］.Sensors，2011，11（7）：6799-6815.

［9］楊麗娟，張白樺，葉旭楨.快速傅里葉變換 FFT及其應(yīng)用［J］.光電工程，2005，31（B12）：1-3.

［10］NUSSBAUMER H J.Fast Fourier transform and convolution algorithms［M］.Springer，1982.

［11］唐弘玲.基于信號(hào)處理的Android手機(jī)心率監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海：東華大學(xué)，2013.

A multi-parameters homecare monitor based on Android mobile terminal

Zhang Cheng1，2，Yu Suping1，2，Xu Wujun1，2，Liang Wei3
（1.College of Information Sciences and Technology，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Engineering Research Center of Digitized Textile＆Fashion Technology，Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China；3.Shanghai Volkswagen Automobile Co.，LTD.，Shanghai 201804，China）

The purpose of this article is to to find a way for combination of smart device with physiology parameters healthcare and to propose a multi-parameters homecare monitor system based on android mobile terminal，which will be able to measure 3 parameters，including temperature，breathing rate and heart rate.The article described the hardware and software of this system in detail.Then we tested and validated the system to determine the feasibility and the scientific.

homecare；Android；smart device；multi-physiology parameters

TP216

A

1674-7720（2015）20-0080-03

張成，禹素萍，許武軍，等.一種基于安卓終端的多生理參數(shù)家庭健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（20）：80-82，86.

2015-05-26）

張成（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：信息與通信工程，嵌入式系統(tǒng)。E-mail：272705190@qq.com。

禹素萍（1977-），女，博士，副教授，主要研究方向：機(jī)器視覺與圖像處理，模式識(shí)別。