黃善登

摘要：處于老齡化時期的中國，患有心臟病、癡呆疾病的老年人數(shù)呈上升趨勢，研究具有老年病自動檢測和及時預警的可穿戴設備，具有很大的市場前景。本文以ARM為核心，Android系統(tǒng)為軟件平臺，設計開發(fā)腕帶式生命體征監(jiān)測預警裝置，包括體溫監(jiān)測，脈搏檢測，通信和報警模塊組成，通信模塊負責提供攜帶者地理位置，并將攜帶者的體征信息發(fā)送給家屬，在穿戴者出現(xiàn)危機情況時，家屬可以通過手機獲取到攜帶者的脈搏、體溫的實時體征信息，并準確定位，及時發(fā)出響亮的語音呼救信號。

關鍵詞：生命體征監(jiān)測；可穿戴設備；ARM；Android系統(tǒng)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）05-0249-04

1 引言

據(jù)《中國老齡事業(yè)發(fā)展報告》指出，我們迎來了第一個老年人口增長高峰，在2015年末，中國大陸人口共達136782萬人，其中60周歲及以上人口21242萬人，占總人口的15.5%，65周歲及以上人口13755萬人，占總人口的10.1%，中國已處于老齡化時期。與此同時，老齡化人群帶來的一些困擾就體現(xiàn)出來了，并且患有心臟病、癡呆疾病的老年人數(shù)還呈上升趨勢[1]，應該給予高度重視。

目前，具有自動檢測，及時預告的可穿戴設備是備受關注的。因可穿戴設備的便攜帶、智能化等特性，具有很大的市場前景[2]。根據(jù)《2015-2020中國可穿戴設備行業(yè)發(fā)展深度調(diào)研和投資趨勢預測研究報告》[3]的內(nèi)容概括，2014年的可穿戴設備行業(yè)可以用四個字來概括“激情澎湃”，到2015年雖然趨于理性，但是從技術層面來講，帶有傳感器的人工智能手環(huán)肯定會在醫(yī)療類大放異彩[4]。

現(xiàn)在子女因上班繁忙，大多數(shù)老人獨留家中，生命體征的信息無法實時監(jiān)測，也無法及時告知家人。本項目試研發(fā)一款可穿戴式的生命體征檢測預警器[5]，該儀器是一個腕帶式可穿戴的裝置，在穿戴時出現(xiàn)危機情況后，家屬可以通過手機或者電腦隨時隨地的獲取到攜帶者的脈搏、體溫的實時體征信息[6]，并可以獲取攜帶者的行走路線與準確定位[7]，及時的做出應對措施；并且該裝置能發(fā)出響亮的語音呼救信號，利于及時出動120急救。對于及時診治、降低醫(yī)療及護理費用、提高生命質(zhì)量、延長壽命、減少獨生子女對父母的健康的憂慮有重大的經(jīng)濟和社會效益[8]。

2 系統(tǒng)框架

本文主要研究腕帶式生命體征監(jiān)測預警裝置，包括ARM控制模塊、通信模塊和終端軟件模塊三大部分，其中關鍵內(nèi)容包括硬件模塊和終端APP設計。

1）硬件模塊設計

采用ARM控制芯片，編寫可靠完善的控制程序，作為整體控制核心。此部分主要考慮的問題有：①脈搏和體溫的實時準確采集；②GPS的精確定位，將攜帶者地理位置傳送給遠程終端；③自動判別攜帶者疾病的癥狀，攜帶者出現(xiàn)心律失常、休克、心臟停博、體溫過高過低等緊急情況時，立即發(fā)出呼救信號，提醒周圍人及時施救；

2）監(jiān)測終端APP軟件設計

以手機為遠程監(jiān)測終端，與穿戴式設備實時通信獲取生命體征與預警信息，為了對老年人的身體狀況有動態(tài)掌握，設計圖形化的界面用以顯示所在地以及生命體征信息。

3 硬件模塊設計

系統(tǒng)硬件模塊包括脈搏模塊設計、體溫模塊設計、報警器模塊設計、GPS模塊、GPRS模塊。

3.1 脈搏模塊設計

脈搏模塊是采用松恩公司的son1303模塊。該模塊通過系統(tǒng)的時鐘計數(shù)器和中斷對I/O口的數(shù)據(jù)進行處理，而后得到該I/O口波形的頻率，從而上層應用可通過讀取頻率而計算出攜帶者的心率。

主程序在初始化創(chuàng)建窗口界面時，會構造脈搏模塊對象，在其中配置脈搏模塊對應I/O口的模式，配置為輸入和外部中斷模式，系統(tǒng)檢測到輸入信號發(fā)生跳變時（上升沿、下降沿），會觸發(fā)中斷，在每次中斷函數(shù)中，記錄系統(tǒng)時間計數(shù)器的值，因半個周期會進入中斷函數(shù)兩次，所以可以計算出輸入信號的頻率，從而得到對應信號所表示的心率。

3.2 體溫模塊設計

體溫模塊是采用DS18b20傳感器實現(xiàn)的。DS18B20有3個引腳，只需要一個I/O口硬件資源。通過攜帶者與產(chǎn)品的接觸點，檢測出數(shù)據(jù)，再通過一根數(shù)據(jù)線用串行傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭B接的I/O口上。該模塊需要編寫一個read函數(shù)，將溫度傳感器通過特定的時序所得到的數(shù)據(jù)保存到形參，上層應用只需要調(diào)用對應的read函數(shù)就能夠得到數(shù)據(jù)，再通過一定的數(shù)據(jù)轉換，就能得到溫度值[9]。

在QT調(diào)用read函數(shù)后，系統(tǒng)自動調(diào)用驅動中的readAPI，先進行I/O電平復位和置位，實現(xiàn)溫度傳感器DS18b20的復位，然后寫指令（write_byte（0xcc）：寫跳過讀ROM指令，write_byte（0x44）：寫溫度轉換指令），再一次傳感器復位，寫指令（write_byte（0xcc），write_byte（0xbe）：讀暫存器），最后讀取溫度數(shù)據(jù)。

3.3 報警器模塊設計

蜂鳴器是一種一體結構化的電子訊響器，采用直流電壓供電的電磁式蜂鳴器。蜂鳴器有3個引腳，只需要一個I/O口，該模塊通過控制I/O的高低電平，使三極管Q6處于導通或關閉狀態(tài)，從而使得Speaker兩個引腳產(chǎn)生電勢差，就能使蜂鳴器發(fā)出聲響。

該模塊提供一個API來接收上層應用傳下來的不同頻率、不同占空比的信號，以此來驅動蜂鳴器發(fā)出聲響，以達到報警的效果。

在QT中調(diào)用API，通過傳遞的參數(shù)（宏定義常數(shù)PWM_IOCTL_SET_FREQ設置頻率，PWM_IOCTL_STOP關閉預警器）來判斷執(zhí)行。在設置頻率中，通過設置寄存器S3C2410_TCON、S3C2410_TCNTB、S3C2410_TCFG1及S3C2410_TCFG0的值，可以在I/O引腳產(chǎn)生對應頻率的信號（可通過對S3C2410_TCMPB寄存器設置占空比）；若是上層傳來參數(shù)是PWM_IOCTL_STOP，則是準備關閉預警器，可將I/O口設置為輸出模式，配置關閉電平即可關閉預警器。

3.4 GPS模塊

利用GPS衛(wèi)星定位，在全球范圍內(nèi)實時進行定位、導航，檢測出攜帶者的地理位置。

該模塊使用的是系統(tǒng)自帶的串口驅動，通過模塊將從衛(wèi)星上得到的數(shù)據(jù)存放到串口設備對應的設備文件中，程序只需要打開設備文件讀取里面的字符即可。

在主程序初始化界面時，創(chuàng)建GPS模塊對象，在其中對要使用的串口設置參數(shù)，控制當前波特率、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)流控等等。系統(tǒng)調(diào)用read時，將收到在設備文件中的數(shù)據(jù)讀取到一個緩沖區(qū)buf中，再根據(jù)你需要的哪些數(shù)據(jù)找到在buf對應的位置，取出來再轉換為你所需的數(shù)據(jù)[10]。

3.5 GPRS模塊

GPRS是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。GPRS是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。

該模塊使用的是系統(tǒng)自帶的串口硬件資源，在主程序編輯好需要發(fā)送數(shù)據(jù)，通過GPRS模塊發(fā)送短信到指定號碼。

在主程序初始化界面時，創(chuàng)建GPS模塊對象，在其中對要使用的串口設置參數(shù)，控制當前波特率、數(shù)據(jù)大小、數(shù)據(jù)流控等等。主程序中，脈搏或是體溫出現(xiàn)異常，就會調(diào)用send函數(shù)，該模塊將異常數(shù)據(jù)及地理位置發(fā)送給指定號碼的家屬。

本設計針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信傳輸中存在的干擾問題以及點對點錯誤傳輸問題，引用計算機領域流行的Hash算法，應用Hash的加密功能，為每一個腕帶生成一個“身份證”——特征碼，遠程監(jiān)測終端輸入特征碼后，就可以實時獲得該腕帶佩戴者的檢測信息。將Hash算法的錯誤糾正應用于腕帶與監(jiān)護人終端的通信傳輸中，確保檢測到的脈搏與體溫信息準確無誤地傳輸，并保證傳輸信息完整，避免遺漏報警或誤報警情況的發(fā)生，在攜帶者出現(xiàn)異常情況時，及時立馬的將攜帶者的生命體征數(shù)據(jù)以及事發(fā)地點發(fā)送給指定用戶（界面可選擇）。以便對方及時知道情況，做出相應措施。

4 程序設計

軟件設計包括軟件設計流程、QT界面設計、主程序設計、Android APP設計。

4.1 軟件設計流程

本次軟件設計的主要流程[11]：

（1）在Linux下驅動編寫，到ARM板調(diào)試；

（2）燒寫驅動到內(nèi)核，并配置好內(nèi)核的其他資源（適當裁剪）；

（3）編譯內(nèi)核生成Zimage鏡像文件；

（4）文件系統(tǒng)、Uboot、Zimage3個鏡像文件一起加載到ARM；

（5）配置好ARM的QT運行環(huán)境；

（6）配置好Linux下的交叉編譯環(huán)境、QT編譯環(huán)境；

（7）QT編寫，生成執(zhí)行文件燒寫到ARM板查看并調(diào)試；

（8）編寫腳本，使QT界面在開機后直接運行。

軟件設計的流程圖如圖1所示。

4.2 QT界面設計

QT是一個1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架[12]。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，比如控制臺工具和服務器。QT是面向對象的框架，使用特殊的代碼生成擴展以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。

QT具有如下特性：

（1）優(yōu)良的跨平臺性質(zhì)，支持多個平臺開發(fā).有：Microsoft Windows 95/98， Microsoft Windows NT， Linux， Solaris， SunOS， HP-UX， Digital UNIX （OSF/1， Tru64）， Irix， FreeBSD等；

（2）面向對象，良好的封裝機制使得QT的模塊化程度非常高，元件工作協(xié)調(diào)變得簡單；

（3）豐富的API接口，多大250+的C++類，還包括正則表達式的處理功能；

（4）支持2D/3圖形渲染，支持openGL。

本設計是通過C++的思想[13]，將每個模塊封裝成一個類，再在每個cpp文件中將對應模塊中讀取的數(shù)據(jù)提取出來，再通過QT的UI設計出一個界面，將得到的數(shù)據(jù)填充到對應的位置，最后在執(zhí)行腳本，將界面顯示到液晶屏上。顯示設計布局及實物圖如圖2所示。

4.3 主程序設計

（1）初始化界面：調(diào)用ui的API（setText、setValue、setRange以及insertItem）對不同的編輯框填充數(shù)據(jù)；

（2）讀取數(shù)據(jù)：都是打開硬件對應的設備文件，調(diào)用read函數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用驅動的read函數(shù)獲得數(shù)據(jù)；

（3）解析數(shù)據(jù)：

1）GPS：根據(jù)數(shù)據(jù)解析協(xié)議將讀取到的字符串，在對應的數(shù)據(jù)位置將字符數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字，得到相應的數(shù)據(jù)；

2）體溫：在得到的兩個字符數(shù)buf[2]中，高八位buf[1]中高五位為符號位，低八位buf[0]中低四位為小數(shù)位，參考公式：tem=（buf[1]&0x7）*16 + buf[0]*0.0625，符號位單獨判斷；

3）脈搏：直接讀取數(shù)據(jù)即可；

（4）界面顯示：同初始化界面一樣，調(diào)用對應的API將解析得到的數(shù)據(jù)填充到編輯框里面；

（5）異常：讀取數(shù)據(jù)超出設定范圍值（通過界面設置）；

（6）發(fā)送數(shù)據(jù)到手機：將需要發(fā)送的信息寫（write）到GPRS所對應的串口設備文件，在此之前，需要寫入一些協(xié)議類的字符串。

4.4 Android APP設計

在創(chuàng)建android應用[14]之前，先將android開發(fā)環(huán)境配置好。

在界面的調(diào)整上，一方面可以通過圖形界面，拖動圖形框到相應的位置，不過這樣會因為鼠標的移動單位距離和認為因素影響，可能會達不到理想的效果；另一方面，可以通過圖形界面生成的文件中，找到對應圖形框的那段代碼，修改圖形的大小，位置等其他參數(shù)，達到理想效果。

這次設計因為在ARM的內(nèi)存因素影響，沒能在ARM板上調(diào)用百度API將經(jīng)緯度轉換為具體的地理位置，不過通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送給手機后，可在手機上調(diào)用百度API將接收到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)轉換出來，用地圖的形式在手機界面上顯示。

AndroidAPP編寫流程圖包括：接收信息API編寫，繼承百度地圖類，重寫類中的API，對圖形布局的XML文件進行修改等。

（1）接收信息API：繼承BroadcastReceiver，重寫onReceive函數(shù)[15]，處理接收到的信息（地點、時間、體溫、心率）；

（2）繼承百度地圖類：OnGetGeoCoderResultListener，該類將接收到的經(jīng)緯度信息轉換為實際地址；

（3）重寫對應API：重寫activity類中的onCreate（初始化實例對象）、onGetGeoCodeResult（查詢是否有匹配地址）

（4）Xml文件修改：activity_main.xml文件中有各個小圖標的詳細參數(shù)（位置、標簽、大?。?，androidManifest.xml文件是系統(tǒng)清單文件，可控制android應用的名稱、圖標、訪問權限等整體屬性。

5 總結

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對攜帶者的脈搏、體溫數(shù)據(jù)的采集以及所處位置的定位，能夠在數(shù)據(jù)超出設定范圍時，立刻向指定的用戶手機發(fā)送信息，并且蜂鳴器響起，用以告知路人，有利于及時對攜帶者急救。對于及時診治、降低醫(yī)療及護理費用、提高生命質(zhì)量、延長壽命、減少獨生子女對父母的健康的憂慮有重大的經(jīng)濟和社會效益。

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