摘  要： 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)行了測試和驗(yàn)證，確定了方案的可行性、科學(xué)性。

　　關(guān)鍵詞： 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，無法實(shí)現(xiàn)短周期內(nèi)多次測量。在這樣的背景下，家用醫(yī)療生理參數(shù)監(jiān)測設(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）?；贏ndroid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。

　　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Android Open Accessory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3.3 V供電，在48 MHz充分工作時(shí)吸收電流僅為25 mA，待機(jī)模式下耗電為128 ?滋A，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紅外測溫傳感器[7]和MS5805-02BA01絕對(duì)氣壓傳感器[8]。其中，紅外測溫傳感器直接測量耳膜的溫度；絕對(duì)氣壓傳感器的間接測量參數(shù)有兩個(gè)，它可以通過測量耳道內(nèi)部的氣壓變化，經(jīng)過信號(hào)處理后，間接測量出呼吸頻率、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0.15 Hz~0.5 Hz之間，心率的頻率為1 Hz~2 Hz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=10 Hz，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=25.6 s。這是每測量一次測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。基于FT311D I2C模式的應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　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I2C-User 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、體溫測量界面和呼吸頻率和心率測量界面。單擊應(yīng)用程序圖標(biāo)，程序運(yùn)行后彈出主頁面，如圖4所示。

　　點(diǎn)擊“體溫”按鈕，進(jìn)入體溫測量界面，如圖5所示：點(diǎn)擊界面中的“測量”按鈕，就可以獲得傳感器測量得到的體溫值，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量界面，與體溫測量界面類似。

3 測試與驗(yàn)證

　　3.1 體溫結(jié)果測試

　　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)測量值進(jìn)行比較。

　　兩種測量方法的測量部位存在差異（耳道和腋窩），并且在測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)的測溫功能依舊可以與傳統(tǒng)的測溫設(shè)備所測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)顯示所測量的參數(shù)結(jié)果，測量結(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。

　　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～ 0.5 Hz；心跳頻率的范圍為60次/min到120次/min，即頻率范圍為1 Hz~2 Hz。

　　圖7中，對(duì)應(yīng)頻率0.43 Hz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1.32 Hz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

　　本文的主要研究內(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)：

　?。?）本文中所用到的傳感器要放置在耳道內(nèi)，對(duì)于測量的環(huán)境要求比較高，尤其是耳道內(nèi)氣壓的測量需要測量環(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。

　?。?）測量所得的參數(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?？梢酝ㄟ^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。

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