基于Android的便携式健康监测系统Android系统开发毕业设计.docx

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基于Android的便携式健康监测系统Android系统开发毕业设计

毕业设计

题目基于Android的便携式健康监测系统——Android系统开发

基于Android的便携式健康监测系统

——Android系统开发

PortablehealthmonitoringsystembasedonAndroidplatform

--DevelopmentonAndroidsystem

黄亮

11250309

HuangLiang

摘要

随着移动互联网的迅速发展，利用便携终端监测人体健康状态成为一种愈发可行的医疗手段。

本设计针对此问题提出了一套切实可行的设计方案，设计中首先通过脉搏传感器采集到人体的脉搏信号，然后借由蓝牙以无线形式发送给Android终端，同时在Android下提取蓝牙信号，以及实现数据的读取与存储，并以接收到的数据实时绘制波形，最终通过对波形的处理分析可得出测试者当前的心率，并对测试者当前的健康状态作出简单的评测和建议。

本设计的数据来源为光电脉搏传感器，是通过透光性检测血液浓度变化并以光强度的变化引起的电压变化作为数据传出；此数据经蓝牙开发板处理为数字信号，并由蓝牙形式不断广播；在Android下开发的应用通过开启设备的蓝牙功能搜索到广播的蓝牙信号，通过协议建立连接并获取数据服务，实时接收采集的脉搏信号；应用对采集的数据进行算法处理，存入文本文件，并在图表中给出实时的波形图；通过分析此波形，应用可计算出测试者当前的心率，并由心率对测试者的健康状况作初步的判断。

其他功能诸如注册功能，静态显示等也可通过在应用中添加相应代码实现，目的是通过保证数据的准确性和添加必要的功能，丰富并完善应用，使之可以广泛使用。

关键词：

脉搏；蓝牙；Android；波形；健康

Abstract

AlongwithrapiddevelopmentofMobileInternet,monitoringthehealthstatusbyportableterminal,becomesamorefeasiblechoiceofmedicaltreatment.Thisdesignputfowardanavailableschemeaimedattheproblem.Inthedesign,firstofall,collectinghumanpulsesignalbypulsesensor,thensendittotheandroidterminalbybluetoothaswirelessform,extractthesignalfrombluetoothonAndroidsystem,realizesthedatareadanddatastore,andthendrawthereal-timewaveformaccordingtoreceiveddata,thecurrentheartratecouldbeobtainedthroughthehandlingofwaveformanalysisandtesting,finallywelearnonthecurrenthealthstatusofthetesterandmakeasimplereviewandadvice.

Thedatasforthedesigncollectedbyphotoelectricpulsesensor,theplusesensorworksbythetransmissionoflight,todetectthechangeofbloodconcentrationwiththechangeoflightintensity,resultinvoltagechanging.Thedataconvertedtothedigitalsignalonthebluetoothdevelopmentboard,andbroadcastconstantly.Theapplicationontheandroidcouldstartbluetoothoftheequipmentandgainedthebroadcastingbluetoothsignal,thenestablishedaconnectionandaccesstodataservices,receivedthepulsesignalinreal-timestate.Thedatawouldbeprocessedbyalgorithminapplication,savedinthetextfile,andreal-timewaveformisgiveninthechartontheviewofscreen.Aanalyzingthewaveform,theapplicationcouldcalculatethecurrentheartrateoftester,andthenapplicationcouldshowthethehealthyconditionofthetesteraccordingtotheheartrate.Otherfunctionssuchasregistration,andstaticdisplaycanbeachievedbyaddingthecorrespondingcodeintheapplication,suchapproachensuretheaccuracyofthedataandaddthenecessaryfunction,enrichandperfecttheapplication,makeitcanbewidelyused.

Keywords:

pluse;bluetooth;Android;waveform;health

第一章绪论

1.1移动医疗的背景

移动医疗，国际医疗卫生会员组织HIMSS给出的定义为，mHealth，就是通过使用移动通信技术——例如PDA、移动电话和卫星通信来提供医疗服务和信息，具体到移动互联网领域，则以基于安卓和iOS等移动终端系统的医疗健康类App应用为主。

它为发展中国家的医疗卫生服务提供了一种有效方法，在医疗人力资源短缺的情况下，通过移动医疗可解决发展中国家的医疗问题[1]。

随着时下智能手机的普及，如何利用便携的智能手机辅助移动医疗监测，成为一个新兴的热门话题，在医学，IT领域掀起一股“移动医疗”的潮流[2]。

就时代科技背景而言，一切与便民服务相关的工作最终都将被“移动”，成为一股股“移动XX”潮流，而“移动医疗”恰恰是其中的一种，也是相当重要的一种。

眼观当下，衣，可以在“淘宝”手机客户端直接购买，食，可以在“大众点评”中获得有利信息，行，可以在“XX地图”“携程旅行”中随时得知路况或踩点，住，可以在“58同城”中查看租房买房信息……可以预见的是，医疗和教育将来也必会在移动互联网中大放异彩，然后成为生活中耳熟能详的一部分。

当下移动医疗才刚刚起步，其应用模式中大多都是借助相应的传感器（例如红外，压电，光电等）来采集医疗信号，实现的功能也以信号显示为主，而智能手机作为拥有高速的数据传输能力和强大数据处理能力的便携终端设备，可以作为医疗传感器信号的移动接收和中转平台，甚至成为最终的处理平台。

智能手机可以通过蓝牙、Wifi等方式和外设进行无线连接，基于此，可将便携传感器获得的数据以无线方式发送给智能手机，智能手机把医疗数据通过WiFi、Internet等方式与服务器完成通信。

这有利于扩大数据采集、健康监护的应用范围，使得人们可以在携带一些传感器的情况下，比较灵活地实现远程数据采集、医疗监护[3]。

随着谷歌眼镜、智能手表等智能消费终端的推出，一股由可穿戴设备掀起的科技浪潮正试图开启物联网2.0时代的大门。

相较于物联网1.0时代对传统行业的信息化模式，由可穿戴医疗设备带动的物联网2.0时代，正在致力于突破孤岛，实现各种应用的互联。

而在亚健康和个性化健康管理的观念日益普及下，可穿戴设备也在成为唤醒医疗物联网2.0的潮流先锋[4]。

目前大型应用市场中已经涌现了一批用于简单医疗的App应用，有根据输入的参数（如身高，体重）判断体型是否合格的，有一些日常健康指导的（比如预防传染病或感冒的常识），还有和硬件设备结合开发的计步器（用于跑步时），用于调整生物钟的睡眠闹钟，测心率的心率应用……但是也明显表明，在不配合硬件的情况下，仅仅软件是无法完成太多测试的，也无法提供用户太多有用的信息或数据。

如果在未来，医用设备能够便携化，就代表着移植到智能设备中的可能性很大，也就意味着，那是一个带着手机就能随时随地检测身体健康状态的时代，一个真正的移动医疗时代。

1.2设计的意义与目的

脉搏－－即体表可触摸到的动脉搏动。

当大量血液进入动脉将使动脉压力变大而使血管直径扩张，在体表较浅处动脉即可感受到此扩张，即所谓的脉搏。

中医将脉搏变化作为治病的主要手段，称为“切脉”。

测量脉搏是病人必须检查的一个项目，通过脉搏的测量可以知道很多信息，这也成为了一个切入点：

如果可以实时测量脉搏，那么就意味着可以实时通过脉搏了解病人的大致状况。

以此推导，如果手机应用能够实时测量脉搏，那么只要有手机的用户都可以测量自己的脉搏plusewave[5]，并通过其测量的数据得到有用的信息。

传统模式下，测量脉搏由专用的医用设备或有专业经验的医师完成，在日常生活中非专业人士也不能准确测量自己的脉搏，更难说察觉脉搏的起伏变化，这也是医疗不能深入日常生活的最主要原因。

本设计则充分利用手机的无线通信功能，使用传感器采集脉搏信号，通过手机蓝牙接收信号，将智能手机变成一个“医疗设备”（MedicalEquipment[6]）。

相对于传统模式下，采集的医疗数据需要上传到专门的服务器进行分析，移动医疗模式下,智能手机完全可以实现在手机本地对数据进行智能分析。

利用智能的计算能力，处理采集的脉搏数据，并得出测量结果，用户可以在更短时间内看到数据分析结果和相关的健康建议，也避免了时间的浪费。

而随着智能手机性能的迅速提高，在本地进行复杂医疗数据的处理将会愈加具有可行性。

1.3设计的内容和功能实现

设计的主要内容是开发一个Android应用，以蓝牙的形式接收传感器采集的脉搏信号，并将信号数据绘成波形反馈给用户，并根据数据分析为用户做初步诊断，并给出简单的健康建议；在此基础上，对应用功能进行扩展，如存下信号数据以供有需要的用户自行查看分析，力求更方便地服务于用户。

本设计主要是软件上的功能，因此以实现软件功能为核心。

软件功能主要分蓝牙模块，数据传输模块，数据处理模块和绘图模块。

蓝牙模块负责通过蓝牙通信协议检测周围匹配的蓝牙设备（BLE设备），并显示到应用界面中以供用户选择，用户选择点击之后可以开启蓝牙数据传输服务。

数据传输模块承接蓝牙模块，开启蓝牙传输服务之后，程序会自动接收传输过来的数据并拟进行二次处理。

数据处理模块即在传输的数据基础上，对其数据进行一系列算法处理，可将数据存入文件，也可用于绘图。

绘图模块是建立在Android下AChartEngine绘图引擎的基础的，此处将已经处理的数据通过曲线图的方式在图表中绘制出来，并实时更新显示。

1.4设计的可行方案

设计主体在于通过特有的传感器脉搏信号，经由一定的传输手段传至某个智能平台，并由智能平台上的一个处理软件对接收到的信号进行数据化，并加以图形描绘。

经过前期的调研和准备，本设计之初需要以下设备和方案。

1　脉搏传感器，采集脉搏信号

2　信号发送器，将信号发送出来

3　信号接收器，接收信号

4　处理器，将信号进行数据处理

5　绘图器，将数据绘成波形图

6　分析器，将波形做算法分析

7　显示器，将分析的结果反馈给用户

以此判断，其中只要有一个环节不同，就会产生不同的实施方案，信号的发射和接收任务在本设计中均采用蓝牙承载，其他环节中影响最大的就是脉搏传感器和处理器，这两个环节的不同会使整个设计有不同的实施方案。

传感器和传输手段的不同产生了两个不同的实施方案，一是通过有线传输压电传感器采集的脉搏数据，另一个是通过蓝牙传输光电传感器采集的脉搏数据。

1.4.1Matlab+压电传感器

本设计早期使用压电脉搏传感器，通过USB接口连接电脑，利用压敏电阻的特性将手腕脉搏跳动的起伏值模拟为传感器反应出的电压值，并以Matlab串口读取作为软件处理方案，用Matlab将压电传感器传出的电压值绘成波形图。

问题在于压电传感器过于灵敏，且受干扰较大，测出的波形噪声信号难以处理，故而进度缓慢。

1.4.2Android应用+光电传感器

由于Android系统的移植性强，装载Android系统的设备越来越多且便携性大大提高，计划将此软件移植到Android平台中，利用光电传感器和相应的蓝牙开发板，将传感器采集到的脉搏信号传输通过蓝牙的形式传输到智能设备中，并利用Android下较为流行的图表引擎AChartEngine绘制相应的波形。

问题在于光电传感器所配套的蓝牙开发板属于蓝牙4.0BLE设备，只有Android4.3以上的系统和装载了BLE的智能设备才能检测到，不过随着手机的更新换代，应该会具有更好的兼容性。

第二章硬件设计

2.1Android硬件平台

Android系统需要相应的硬件平台支持，并且由于蓝牙4.0BLE的特殊性，需要能够支持Android4.3系统及以上和装载蓝牙4.0的智能平台才能应用到实际开发中。

若不考虑蓝牙，Wifi，以及传感器相关的开发，那么Genymotion完全可以胜任开发的绝大部分需求；当然若需要实际的硬件支持，最佳方案就是用一款智能手机进行真机联调。

2.1.1模拟器Genymotion

Genymotion是一套完整的工具，它提供了Android虚拟环境[7]。

开发Android的EclipseADT开发包中其实有自带的模拟器emulator，之所以选用另外的模拟器原因有二。

Emulator运行速度缓慢，对比之下,genymotion由于基于VirtualBox，本质是虚拟机，无论是启动速度或者是应用载入速度都要更加快捷，性能更优越，在genymotion出现之后，被Android开发者们冠以“史上最快Android模拟器”的称号，这是一方面原因。

图2.1genymotion和emulator的创建设备界面

另一方面，genymotion的源码包较为简洁明了，创建虚拟设备时只需填入设备名称即可，其他属性均按照实际型号的真机定制，而emulator自定义的属性较多，自主性较强，但大多设置并没有必要，而且其启动后尺寸是固定的，不能随时进行调整，默认的屏幕尺寸高度会和PC的高度一致，导致开发视图的不便（任务栏会遮住屏幕下方），相反genymotion就可以在启动虚拟设备后自由调整其宽高度，以方便不同视图的需要。

图2.1为两者创建虚拟设备时的界面。

Genymotion安装流程如下：

1　注册Genymotion账号

2　下载Genymotion安装包

3　安装VitualBox

4　安装Eclipse或者Intellij插件

注册需要通过其官方网址

图2.2genymotion选择系统环境界面

选择好开发的系统环境之后，在联网状态下会自动下载源码包，这里我们选择Android4.3的系统，安装并创建完毕后如图2.3。

图2.3genymotion已经创建好的系统环境

启动虚拟设备，可以看到界面与真实手机一般无二，如图2.4所示。

图2.4genymotion虚拟界面

同时，可以在Eclipse的DDMS视图中看到已经检测到的Android设备，如图2.5所示。

图2.5Eclipse中检测到的虚拟设备

至此，genymotion虚拟的硬件开发环境已经搭建完成。

2.1.2智能手机

涉及到蓝牙或传感器之类模拟器暂时不能模拟出的部件时，开发就需要借助真实的Android设备。

本次设计用到的智能手机为华为荣耀4X，操作系统为Android4.4，支持蓝牙4.0BLE。

相对于模拟器来说，真机并不需要人为创建定制设备，可以直接投入开发使用。

不过由于智能手机仍需要连接电脑进行开发中的通信，所以一些注意事项需要注意一下：

1）手机需进入“USB调试模式”，不同的手机有不同的设置，开发者需根据相应的机型提前设置好，类似图2.6。

图2.6手机上的USB设置

2）需要特定的驱动需要安装相应的驱动，否则无法检测到连接的Android设备，一般是由PC系统自动匹配安装，安装的驱动为“AndroidCompositeADBInterface”,打开“设备管理器”后会显示相应的接口，如图2.7。

图2.7Android设备调试驱动

3）安装好驱动，开发工具Eclipse切换至DDMS视图，此处表明已经检测到了Android设备，如图2.8所示。

图2.8Eclipse检测到的真机

2.2蓝牙开发平台

蓝牙平台在本设计中属于前置部分，主要负责将传感器采集到的信号通过蓝牙形式发送出来，然后由开发的Android应用接收处理，蓝牙部分可以从原理和实际设备两个部分进行介绍。

2.2.1蓝牙4.0BLE简介

蓝牙4.0协议是2010年6月由SIG（SpecialInterestGroup）发布的最新标准，它有2种模式：

BLE（Bluetoothlowenergy）只能与4.0协议设备通信，适应节能且仅收发少量数据的设备（如家用电子）；BR/EDR（BasicRate/EnhancedDataRate），向下兼容（能与3.0/2.1/2.0通信），适应收发数据较多的设备（如耳机）。

BLE即BluetoothLowEnergy，低功耗蓝牙，属于蓝牙4.0中的单模制式。

其主要特点如下：

●国际蓝牙联盟（BT－SIG，TI是企业成员之一）通过的一个标准蓝牙无线协议

●主要新特性是在蓝牙标准版本上添加了4.0蓝牙规范（2010年6月）

●针对无线应用程序与低功耗，低延迟，小数据包的传输需求

●主要是围绕手机和个人电脑系统，但也可用于其他应用程序

●就单模而言，和经典蓝牙设备不兼容

蓝牙4.0开发至少要做两方面的准备。

硬件方面，需要购买TI公司蓝牙迷你套件，即蓝牙4.0开发板（一般指CC254x）以及CCDebugger传真器；软件方面，安装IARfor8051，TI公司BTool软件。

2.2.2开发板CC254x

CC254X模块是低成本，低功耗的SOC（SystemonaChip，系统级芯片）方案，广泛用于蓝牙低功耗应用，花费非常少的材料成本即可构建BLEMaster或SlaveNode。

CC254X内含一个性能优良的RF收发器和工业标准的增强型8051MCU，集成可ISP的Flashmemory，8-KBRAM，以及其他性能优异的特性和外设。

CC254X可提供低功耗睡眠模式，操作模式的转换时间非常短，低至微秒级，特别适合需要低功耗的系统。

其特性如下：

a）兼容蓝牙低功耗技术

b）优异的连接设计（高达97DB）

c）长距应用

d）精准的数字RSSI

e）符合FCC&CE标准

f）高效低功耗的8051MCU内核

g）电池监控和温度传感器

h）全速USB接口

i）AEC安全协处理器

本设计通过CC254x开发板进行蓝牙模块的开发，其开发板如图2.9所示。

图2.9CC254x开发板功能示图

2.3心率传感器

心率传感器是本设计中硬件部分的最末端，负责最原始的脉搏信号采集，理想状态下采集到的脉搏信号可以较为清晰用波形图给出，也即是说，传感器必须采集到类似于心脏搏动强度的信号，并将这种起伏明显的信号通过一定传输手段传输到开发环境中。

因此，根据传感器的敏感性质不同，可分为两部分介绍。

2.3.1压电传感器

压电传感器即压敏电阻脉搏传感器HK-2000C，是在HK-2000B的基础上增加了程控放大电路、基线调整电路、A/D转换电路、串行通信电路，方便用户集成及二次开发使用。

压电式原理采集信号，数字信号输出，直接通过USB或串口输出脉搏波波形数据。

在电脑上运行我们附送的演示程序可以直观的在电脑屏幕上显示脉搏波形并可以对波形的幅值、频率、基线等进行调整。

该产品可应用于脉率检测、无创心血管功能检测、妊高征检测、中医脉象诊断等。

图2.10压电脉搏传感器HK-2000C

此传感器的接口为USB接口，可以与电脑连接，在PC端安装USB转串口驱动后，即可实现传感器与PC端的通信。

在PC端“设备管理器”中可以看到相应端口，如图2.11所示。

图2.11压电传感器在PC端的端口

2.3.2光电传感器

光电传感器是自行购置的脉搏传感器，主要是通过透光性检测指尖血液浓度并以此脉搏的跳动。

配以蓝牙开发板CC254x，连接之后可直接工作（程序代码需自行烧写）。

关于此传感器有一套自有的工具，主要是关于BLE蓝牙4.0开发的必备工具，诸如IAR编辑器，SmartNRF烧录器，以及CCDebug仿真器，感兴趣的读者可自行查阅关于蓝牙4.0的官方资料。

以下为传感器实物图。

图2.12光电心率传感器实物图

此传感器需要和蓝牙开发板配套使用，三根导线分别连接至开发板的相应引脚才能正常工作，以下是连接图；

图2.13传感器与开发板连接图

连接完成后，需要给开发板加外接电源才可工作。

此开发板的电源接口与调试接口为同一个接口，为MiniUSB接口，加电后配以的显示屏可以显示相关数据，不过仅供以参考，如图2.14所示；

图2.14开发板工作示意图

第三章软件设计

软件的开发工作主要在Android平台下进行，使用以Java为主的编程语言进行开发。

本设计中使用的开发环境如下：

◆系统环境：

Windows7Ultimatex64

◆编程语言：

Java

◆语言版本：

jdk-8u11-windows-x64

◆开发工具：

EclipseIDEforJavaDevelopers+ADT,AndroidStudio

◆终端环境：

Android4.3,Android4.4.4

◆源码工具：

AndroidSDKManager

◆模拟器：

GenymotionAndroid4.3

◆真机型号：

华为荣耀畅玩4X

◆绘图引擎：

AChartEngine

系统环境、编程语言，以及开发工具，三者互相之间要有良好的兼容性，一般来说，如果系统环境为Windows系统，那么编程语言版本也一般安装windows版本，以及开发工具如Eclipse也要选择安装EclipseforWindows，否则是无法进行开发工作的[8]。

开发Android应用需要在Eclipse中安装ADT即AndroidDevelopmentTools插件