關(guān)凱，吳水才，黃智生

1.北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院，北京 100124；2.荷蘭阿姆斯特丹自由大學計算機學院，荷蘭 阿姆斯特丹 1081HV

基于Android平臺的健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

關(guān)凱1，吳水才1，黃智生2

1.北京工業(yè)大學生命科學與生物工程學院，北京 100124；2.荷蘭阿姆斯特丹自由大學計算機學院，荷蘭 阿姆斯特丹 1081HV

目的 設計一種基于Android平臺的健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，使之可通過無線藍牙方式獲取心電數(shù)據(jù)，并在其界面上顯示心電波形和心率信息，進而通過TCP協(xié)議將心率信息傳輸給PC端服務器。方法 以ARM Cortex-A9開發(fā)板作為Android網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺，結(jié)合藍牙心電傳感器和PC端服務器，完成心電信號的采集、分析和遠程傳輸功能。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件由主控芯片、藍牙、Wi-Fi、存儲等模塊組成，軟件相關(guān)功能通過在Eclipse IDE下開發(fā)Android項目實現(xiàn)，PC端服務器軟件利用JAVA進行設計。結(jié)果 該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可從藍牙心電傳感器獲得單導聯(lián)心電信號，并將相應的心電波形顯示在其界面上，進而可通過差分閾值法計算得到實時心率后，將心率信息發(fā)送給PC端服務器。結(jié)論 基于Android平臺的健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)操作簡便，功能易于拓展。實際測試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可實時顯示心電波形，能夠準確測量心率信息，具有一定的實用價值。

Android平臺；健康物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)；心電信號；藍牙技術(shù)

在人口老齡化問題突出的現(xiàn)代社會，生活節(jié)奏的加快使得人們照顧老人的時間和精力都大為減少。受醫(yī)院的監(jiān)護條件以及老人和慢性病患者經(jīng)濟、時間條件等因素所限，目前針對老人和慢性病患者群體的監(jiān)護覆蓋面不足，使得該群體無法及時預防心血管疾病，也無法使患者在突發(fā)情況下得到及時救治。因此，實施老人健康監(jiān)護和遠程醫(yī)療的必要性日趨突出[1-3]。

當前，健康物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但是針對遠程醫(yī)療這一產(chǎn)業(yè)的相關(guān)標準和規(guī)范尚未出臺，專門應用于醫(yī)療領(lǐng)域的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品也尚未出爐，市場上出現(xiàn)的絕大多數(shù)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品均是針對智能家居控制和環(huán)境監(jiān)測設計的，而針對健康監(jiān)護和遠程醫(yī)療的家庭網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品還沒有出現(xiàn)。本研究在智能家居網(wǎng)關(guān)設計方案的基礎(chǔ)上，設計并實現(xiàn)了一種基于Android平臺的健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能夠結(jié)合生理信號采集前端，通過無線藍牙技術(shù)獲取人體生理信號，完成人體生理參數(shù)的實時監(jiān)護和心率等生命信息的遠程傳輸，具有良好的應用價值，報道如下。

1 系統(tǒng)設計

整個系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分，硬件部分由穿戴式信號采集節(jié)點、健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及遠程監(jiān)控服務器3部分組成；軟件設計基于Android操作系統(tǒng)，在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)實現(xiàn)。

1.1 硬件設計

健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用基于嵌入式技術(shù)的方式實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。其中，穿戴式信號采集設備采用山東華科電子HKD_10L型藍牙心電傳感器，用于采集人體單導聯(lián)心電信號；健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以ARM Cortex-A9作為中央處理器，并拓展藍牙、WiFi、存儲以及寬帶和HDMI數(shù)字電視接口模塊，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、分析和上傳功能；遠程服務器以PC機作為載體接收數(shù)據(jù)[4-9]。

圖1 健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 軟件開發(fā)系統(tǒng)選擇

Android操作系統(tǒng)主要由Linux內(nèi)核、中間件、用戶界面和應用軟件組成，主要應用于手機和平板電腦等移動終端。最近幾年，Android系統(tǒng)也逐漸應用于數(shù)字電視、機頂盒、智能路由器和終端醫(yī)療設備。本研究基于Android系統(tǒng)對健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進行設計，既能充分利用現(xiàn)有的技術(shù)優(yōu)勢，又能夠使網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與廣泛應用于家庭中的其他Android設備進行連接和通信。

1.3 軟件設計與實現(xiàn)

健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件是在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)的，編程語言為JAVA，整個軟件設計充分利用了Android系統(tǒng)所依賴的Linux內(nèi)核提供的藍牙、WiFi等硬件驅(qū)動。軟件主要分為3個功能模塊，即病歷建立界面、藍牙連接模塊和心電監(jiān)護模塊。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖，見圖2。

圖2 健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

1.3.1 病歷建立界面

在該界面可以進行病歷的建立，用戶可在頁面上填寫個人信息，當點擊“建立病歷”按鈕時，系統(tǒng)會在外部拓展的SD卡中建立HomeHealth文件夾，并以用戶的名字命名，建立相應的病歷文檔。該界面中還設計了兩個分別轉(zhuǎn)向藍牙連接界面和心電監(jiān)護界面的按鈕，方便用戶進行轉(zhuǎn)換。

1.3.2 藍牙連接模塊

藍牙連接模塊主要用于連接網(wǎng)關(guān)與藍牙心電傳感器設備。Android平臺提供了藍牙應用程序接口（Application Programming Interface，API），可實現(xiàn)藍牙設備之間的通信。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與藍牙心電傳感器的通信主要包括4個步驟：開啟藍牙設備、搜索周邊設備、連接藍牙心電傳感器和數(shù)據(jù)傳輸。

在Android系統(tǒng)中，藍牙API中的BluetoothServerSocket和BluetoothSocket類可以實現(xiàn)Socket通信。本研究以藍牙心電傳感器作為服務端，網(wǎng)關(guān)作為客戶端。服務端設備啟動后，便開始監(jiān)聽外來的請求，當監(jiān)聽到網(wǎng)關(guān)的連接請求后便會提供一個連接上的BluetoothServerSocket給客戶端。此時網(wǎng)關(guān)可以從BluetoothServerSocket得到BluetoothSocket，服務端便開始不斷地向網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)傳輸[10]。

藍牙設備之間建立服務套接字和監(jiān)聽連接的基本步驟為：① 通過調(diào)用createRfcommSocketToServiceRecord (MY_UUID)方法獲取BluetoothServerSocket對象，其中MY_UUID為客戶端連接的標識；② 調(diào)用connect()方法向藍牙心電設備發(fā)出請求，心電設備此時在不斷地監(jiān)聽連接請求，當監(jiān)聽到請求時，便會返回一個連接上的藍牙套接字BluetoothSocket，此時，網(wǎng)關(guān)藍牙客戶端便可以通過getInputStream()和getOutputStream()方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

1.3.3 心電監(jiān)護模塊

該模塊作為系統(tǒng)的主線程，主要用于監(jiān)控各個按鈕的狀態(tài)，并對實時心率進行測定和顯示。該模塊需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、顯示、保存和上傳功能，筆者設計其在4個新線程中分別進行。

（1）心電數(shù)據(jù)的接收。在該線程中，藍牙心電傳感器在完成一次采樣后，每接收到一次來自網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸請求，便會以數(shù)據(jù)幀的形式將心電數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。心電傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀格式為幀頭標識、控制字、BYTE 1、BYTE 2、…、BYTEn、校驗和。

其中，幀頭標識固定為0XF0，控制字為0XC0，校驗和為CKSUM，由網(wǎng)關(guān)發(fā)送給心電傳感器；心電傳感器接收到命令后，發(fā)送幀頭為0XF0，控制字為OXC0，心電數(shù)據(jù)為XLH XLL，校驗和為CKSUM，即0XF0 0XC0 XLH XLL CKNUM形式的數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過解析該命令，可以得到心電的實時數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)動態(tài)存儲入長度為2的FIFO數(shù)組，以實時獲取心電信號的一階差分值，為主線程計算和心率信息獲取做準備。

（2）心電數(shù)據(jù)的顯示。該線程可通過調(diào)用canvas. drawLine()方法，以不斷更新的FIFO數(shù)組的值作為兩點連線的縱坐標，以兩個時間軸上的點作為橫坐標，在建立好的SurfaceView界面上繪制心電波形[11]。當心電波形畫滿整個界面時，該線程會更新整個畫布，同時將數(shù)據(jù)橫坐標移動到起點繼續(xù)開始畫圖。

（3）心電數(shù)據(jù)的保存。該線程啟動后，系統(tǒng)將在SD卡“HomeHealth”文件夾下建立名為“ECGData”的TXT心電數(shù)據(jù)文件，使用targetFile.length()方法找到文檔的末尾，并調(diào)用write()方法將得到的心電數(shù)據(jù)不斷添加到文件中。

（4）生理信號的傳輸。該線程通過建立套接字，以傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）將心率信息傳輸給PC監(jiān)控終端。要實現(xiàn)該線程，首先需要在PC端開發(fā)服務器監(jiān)控，這主要通過JAVA編程來實現(xiàn)[12]。隨后，開啟服務器后，點擊網(wǎng)關(guān)界面的發(fā)送數(shù)據(jù)按鈕，會發(fā)現(xiàn)服務器端的監(jiān)控窗口接收到了實時的心率信息。PC端服務器的軟件流程和Android平臺網(wǎng)關(guān)軟件傳輸數(shù)據(jù)流程圖，見圖3。

圖3 PC服務器和網(wǎng)關(guān)客戶端軟件通訊流程圖

最后，應當說明的是，要在Android系統(tǒng)中使用SD卡、藍牙、TCP套接字通信等功能，首先須在工程對應的AndroidManifest.xml中聲明權(quán)限，具體代碼如下：

2 心率算法設計

Android平臺下網(wǎng)關(guān)的一個重要功能是對采集到的心電信號進行實時分析，檢測心電的QRS波，并通過計算兩個R波之間的間隔，獲得心率信息。通過分析心電信號獲取心率信息的方法很多，比如差分閾值法、模板匹配法以及小波變換法等[13-16]。由于嵌入式網(wǎng)關(guān)設備對實時性要求很高，因此使用差分閾值法來獲取心率信息較好。

基于此，本研究采用基于絕對值的差分閾值法來檢測并獲取心率信息，實驗結(jié)果表明，該方法在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上運行良好。

該算法的具體步驟如下：① 實時截取心電信號最近5s的數(shù)據(jù)ECGArray；② 計算心電信號ECGArray的一階前向差分，取絕對值，得到ECGDiff；③ 實時獲取差分信號ECGDiff數(shù)組的前5個最大值，取其平均值，并取平均值的0.7倍作為閾值threshold；④ 比較ECGDiff數(shù)組同threshold的大小，如果ECGDiff的值大于threshold，則記下其在ECGDiff數(shù)組中的位置，即標記第一個R波位置Rlocation1；當出現(xiàn)第二個R波時，將該位置記為Rlocation2；如此循環(huán)，在第三個R波的位置再放入Rlocation1；⑤ 計算RR間期，即Rlocation1與Rlocation2差的絕對值；⑥ 計算心率。

為了保證R波檢測的準確性，當檢測到一個R波后，系統(tǒng)會自動將待檢測數(shù)組時延0.2 ms，即忽略檢測到的R波之后0.2 ms的數(shù)據(jù)，防止因誤檢帶來的誤差。

3 系統(tǒng)測試

健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設計基于Android平臺，因此，除了文中使用的嵌入式開發(fā)平臺以外，該系統(tǒng)還可以運行在任何不低于Android 4.0.3版本的智能手機和終端設備上。圖4顯示的是實驗采集到的心電信號和心率信息，其中心電電壓AD轉(zhuǎn)換值可保存在SD卡的HomeHeatth文件夾，PC服務器端窗口顯示實時采集到的心率信息。

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)顯示出的心電信號波形和心率信息圖

4 總結(jié)

本研究設計了一個基于Android平臺的健康物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的各部分功能及設計方法進行了詳細介紹。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可通過藍牙協(xié)議接收來自藍牙心電傳感器的數(shù)據(jù)，并以TCP套接字的方式將心率等信息傳輸給遠程監(jiān)護的PC服務器。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，還可以實時檢測心率，完成對人體心電信號的監(jiān)護。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，下一步將通過進一步拓展和完善其功能，將其用于家庭和社區(qū)對老人和慢性病患者的遠程監(jiān)護系統(tǒng)中。

[1] Bacchillone T,Donati M,Saponara S,et al.A flexible home gateway system for telecare of patients affected by chronic heart failure[A].5thInternational Symposium on Medical Information & Communication Technology (ISMICT)[C].2011:139-142.

[2] Tung HY,Tsang KF,Tung HC,et al.Thedesign of dual radio ZigBee homecare gateway for remote patient monitoring[J].IEEE T Consum Electr,2013,59(4):756-764.

[3] Spinsante S,Gambi E.Remotehealth monitoring by OSGi technology and digital TV integration[J].IEEE T Consum Electr,2012,58(4):1434-1441.

[4] Mittek M,Carlson JD,Perez LC.Design and implementation of a low-cost embedded Linux gateway for smart home health monitoring[A].IEEE International Conference on Electro/ Information Technology (EIT),2014:485-490.

[5] 葉彬浩,梁俍,洪邦良,等.基于Android平臺的心電監(jiān)護儀設計[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2014,31(4):5058-5063.

[6] Chi H,Chow WH,Chui KT,et al.A remote moniotring patient Homecare Gateway supporting streaming vital sign monitoring[A].39thAnnual Conference of the IEEE,Industrial Electronics Society[C].2013:8415-8419.

[7] 藍坤,張躍.基于Android的心電監(jiān)護軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計,2013,34(8):2951-2956.

[8] 劉錦鋒,崔曉佳,王偉.面向Android機頂盒的家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設計[J].電視技術(shù),2014,38(14):45-53.

[9] 孫卓,高毅,李新國,等.基于智能電視機頂盒的下一代數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)設計[J].有線電視技術(shù),2013,20(6):102-104.

[10] 熊獅,吳效明.基于Android系統(tǒng)的生理數(shù)據(jù)藍牙傳輸技術(shù)[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2012,29(6):3801-3803.

[11] 李剛.瘋狂Android講義[M].2版.北京:電子工業(yè)出版社,2013: 394-398.

[12] 趙啟朋.Android典型技術(shù)模塊開發(fā)詳解[M].北京:中國鐵道出版社,2012:297-300.

[13] 姚歡,王劍剛.ECG信號QRS波群檢測算法的進展[J].現(xiàn)代生物醫(yī)學進展,2012,12(20):3988-3991.

[14] 石濤.基于Android系統(tǒng)智能手機的心電遠程監(jiān)護系統(tǒng)軟件設計[D].北京:北京工業(yè)大學,2013.

[15] 高峰.基于Android系統(tǒng)的心電圖分析軟件設計[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[16] 李麗,胡方明.基于小波變換的病灶心音信號識別[J].中國醫(yī)療設備,2013,28(2):9-12.

Design and Realization of the Health Networking Gateway Based on the Android System

GUAN Kai1, WU Shui-cai1, HUANG Zhi-sheng2
1.College of Life-science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China; 2. Department of Computer Science, VU University Amsterdam, 1081 HV Amsterdam, the Netherland

Objective To design a health networking gateway based on the Android platform, which can obtain electrocardiogram (ECG) dataviaBluetooth technology, display the curves of ECG and the heart rate on its surface, and transmit the heart rate information to the server on PC through TCP protocol. Methods Using ARM Cortex-A9 development board as the development platform of the Android gateway, combined with the Bluetooth sensor of ECG and server on a PC, to complete the function of ECG collection, analysis, and remote transmission. The hardware of the gateway is made up by a controller unit, Bluetooth, Wi-Fi, storage devices and other modules. The software was developed in the Eclipse IDE as an Android project. The server on PC was developed as a JAVA project. Results The gateway obtained the ECG signals from the Bluetooth sensor of ECG and displayed the signals on its screen. After calculating the real-time heart rate by using differential threshold methods, the gateway sent the information about heart rate to the server of a PC. Conclusion The paper designed and realized both the hardware and the software of the health networking gateway based on an Android application program, which obtains ECG signals by Bluetooth and transmits the heart rate information to the remote server by TCP. The system of the IOT gateway is simple to operate and easy to be expanded. The test shows the gateway system operates stably. The curve of real-time ECG can display on the screen and the heart rate is accurate.

Android platform; health networking; gateway system; electrocardiogram; bluetooth technology

R197.39；TP393.05

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.01.008

1674-1633(2016)01-0035-04

2015-08-28

北京工業(yè)大學第13屆研究生科技基金項目（No. ykj-2014-10983）。

吳水才，教授。

通訊作者郵箱：wusuicai@bjut.edu.cn