基于Android的智能家庭健康监控设备开发

陈 群，蔡桂煜，王吉生，陈惠明，陈泉成，刘持标

(三明学院 信息工程学院 物联网应用福建省高校工程研究中心，福建三明365004)

随着我国经济实力的不断发展，人们的生活得到了显著的提高。在如今物质充裕的社会，人们摄取食物的种类越来越多，体重也不断增加，相应而来的健康问题也接连发生。在人们常吃的食物中，特别是肉类中，含有大量的胆固醇，随着岁月的积累，这类物质不断地增加，造成了大量的肥胖症状及高血压。而人类在繁忙的工作学习中，很难抽出时间到医院进行健康检查，甚至连自己的身体状况也一无所知。随着越来越多的人死于肥胖和高血压相关的疾病，人们越来越关注自己的体重、身高、血压及心率等生理特征，希望及早得到自己身体健康方面的预警。

当前，人体的身高一般是由人工使用尺子来进行测量的。体重的测量一般是通过机械称重设备或电子称重设备[1]来完成的。电子称重设备通过使用压力传感器收集体重的模拟电压值，经过AD芯片转换后，产生体重值信号的数字信号的值，最后根据参考值，算出精确的实际体重值。如今，医疗设备中测血压方式，大多数属于基于柯氏法的气压式血压计，此类方式需要测量者通过设备听取动脉的声音，根据声音产生和消失的方式来确定收缩压和舒张压值。该血压计除了专业人士通常不容易使用，普通人测量有诸多不变。柯氏法血压测量存在诸多的缺陷：一是不好判断舒张压产生的时间；二是这种方式凭人的感觉器官，普通人很难测准血压。在电子血压计[2-5]发展的历程中，曾经有科氏法电子血压计的产生，但是由于发现血压计不稳定、可靠性差，所以无法得到很好的推广。

当前所使用的测取身高、体重、血压和心率的设备存在着几个问题。第一，一般情况下这4个生理参数的测量分别是由不同的设备在不同的时间来完成的，实施起来比较耗时和操作麻烦；第二，由不同设备所测取的这4个生理数据难以进行统一的存储和关联；第三，目前设备所测量的这4个生理数据还不能及时统一地存储到远程数据库服务器；第四，目前的设备和系统还不能及时对当前及历史身高、体重、血压和心率生理数据进行合理分析及给出科学建议。

针对当前所存在的4个问题，我们开发了基于Android手机[6]的智能家庭健康监控设备及系统。该智能设备所集成的手臂式电子血压计模块具有小型化、低功耗、智能化程度高的优点，它克服了水银血压计不便测量的缺点，可以同时测取血压及心率；而且在测量体重的同时，采用超声波传感器测量身高，比传统的测身高设备更加方便。智能家庭健康监控设备及系统很好地解决了传统的身高、体重、血压和心率测量设备历史数据难以存储、生理数据难以关联及大量历史生理数据难以分析的问题；所制作的智能设备与Android手机结合，可以实时高效测量及处理人体健康相关的体重、血压、心率及身高数据。同时，所制作的智能设备所使用的温度传感器模块可以实时测量环境温度，该温度数据一方面可以用来校正体重、身高及血压传感器所测数据的准确度，另一方面还可以将人体生理健康数据同环境温度进行关联。所开发的设备及系统实现了人性化，智能化的要求，可方便高血压患者以及中老年人使用；再者，对所存储的历史数据进行分析，可以形成个体的健康情况报告，它将为改善个体的健康给出科学性建议。

1 基于健康监控设备的远程医疗服务系统设计分析

如图1所示，结合本智能家庭健康监控设备的硬件、智能手机、Android APP、传输网络及数据服务中心可以实现远程医疗监护服务系统。该系统的最大特色是实现了人体身高、血压、心率、体重数据及环境温度的实时记录以及可进行历史数据的分析。通过Android智能手机对家庭智能健康监控一体机设备进行控制，来自很多家庭的实时监控人体生理数据可以通过智能手机和传输网络发送到远程监护数据服务中心。医疗监控中心的医护人员或用户可以通过登录服务器，随时随地了解体重、血压和心率的变化曲线；如果发现被监控人员出现异常，可采取抢救措施。被监护者的亲属等也可以登录监护服务器随时了解被监护者的健康状况。

依据该健康监控系统的组成，在本论文的以下各部分分别对智能家庭健康监控设备设计与实现、Android客户端软件的设计与实现、Android客户端与服务器端无线数据通信和 Web服务器端的智能健康信息系统设计与实现来进行论述。

2 智能家庭健康监控设备设计与实现

为了制作智能家庭健康监控设备，首先利用Protel99se软件来设计该设备的电路板的电路原理图。在Protel99se上画电路原理图之前，要先画出设备的SCH （Schematic：SCH）元件库和PCB（Printed Circuit Board：PCB）元件库。当元件库都画好之后就可以开始画电路原理图。 将画好的原理图转化成PCB电路图，然后进行布局、走线和铺铜。图2是布局后的PCB图，图3是走线后的PCB图。

图1 基于智能家庭健康监控设备的多用户多家庭远程医疗服务系统

图2 布局后的PCB图

图3 PCB电路图布局后进行走线

智能家庭健康监控设备采用双层制板制作，板的两面都有线路。在布线的时候线的宽度要尽量宽，避免在蚀刻板的时候线路断开。走线要尽量简单，便于后期调试。板的正面焊接体积较大的元器件，如气压传感器，温度传感器和继电器等。板的背面主要焊接一些小型的器件，如电阻，电容和三极管等。

PCB电路图画好之后，就可以将电路图打印到硫酸纸上。PCB电路图打印出来后的样式如图4和图5所示。将打印出的电路图紧贴在未曝光的铜板上并用透明玻璃盖紧。接下来就可以进行曝光，在曝光机或者强光下照射90 s左右即可。硫酸纸上的黑色线路会阻碍光线照射到电路板上，从而有线路的地方不会被氧化。曝光好之后，就可以进行显影。往槽里加入适量的水和显影剂，比例是1∶2，并进行加热。将曝光好的电路板用夹子夹紧放入槽里，每隔30 s左右轻摇下电路板，直至线路清晰显现后拿出，并放在清水里轻轻过一下水，再放到通风的地方晾干后就可以蚀刻。在蚀刻槽里将蚀刻剂用水溶解后加热，将板放入蚀刻槽中。在蚀刻的过程中每隔30 s可轻摇一下板子，并观察板的蚀刻情况，直至板上的线路周围的铜变没了，蚀刻过程就完成了。

图4 双层电路板的正面

图5 双层电路板的背面

把做好的电路板用打孔机进行打孔，打好孔后把相应的器件装上去，并用电烙铁焊接。在焊接大尺寸的器件，如继电器、AD模块和称重传感器时，可以尽可能的将孔打大一些。当模块刚好放进去的时候就可以在另一面用锡把孔填充掉。在焊接小器件，如贴片电阻、贴片电容和贴片三极管时，由于其体积小不宜焊接，所以可先在板上的贴片处的一端先涂点锡，然后用尖头镊子把贴片器件夹到有锡的那端对好，再用焊烙铁焊一下即可。图6为焊接后的智能家庭健康监控设备电路板的正反面及整机示意图。在图6中，1为底座，2为称重台，3为直杆，4为套杆，5为控制板，6为线缆，7为腕带，8为滑杆，9为横杆，10为超声波传感器探头。

图6 焊接后的健康监控设备电路板的正反面及整机示意图

3 Android客户端软件的设计与实现

运行Android客户端软件时，需要进行登录。登录成功后，智能手机就可以打开蓝牙，所搜蓝牙与健康监控设备上的蓝牙模块进行配对，并建立蓝牙Socket连接。在健康监控设备中，设备与手机之间的蓝牙通信实现代码如图7所示。 设备所具有的蓝牙模块为HC-06串口蓝牙模块，它有VCC/GND/RXD/TXD4个引脚，该蓝牙模块支持设备与Android手机之间的无线数据通信。 蓝牙模块将健康监控设备的TTL信号转换成蓝牙2.0协议的网络传输的包，支持全双工传输数据使用，此模块默认波特率为9600，不需要软件或者硬件流控制，一个开始位，无校验位，设置完成后是从模式。Android手机可主动搜索此设备，与其配对，配对成功后，手机和设备间就可以进行数据交换。

图7 智能家庭健康监控设备中实现设备与手机蓝牙通信的代码

Android智能手机客户端软件主要包括登录界面、用户操作界面和功能操作界面三个模块。登录界面和用户操作界面如图8所示，它含有数据测量、历史数据和曲线图等功能模块。血压心率测量和身高体重测量功能操作界面如图9所示。所测量的体重、血压、心率、身高和温度可被及时上传给远程医疗数据服务中心的服务器。

图8 Android客户端登录与用户操作界面

图9 测量血压心率和测量体重身高的功能操作界面

4 Android客户端与服务器端无线数据通信

智能手机与数据服务中心Web服务器之间的数据通信可以通过WiFi或3G/4G无线通信方式来实现。Android客户端通过使用异步网络数据传输框架AsyncHttpClient来实现手机与Web服务器之间的数据传输。手机客户端将要传输的数据用GSon打好包之后就可以发给Web服务器。图10为手机客户端将数据打包传输给服务器的主要代码。

图10 智能手机客户端将数据打包传输给服务器的主要代码

5 Web服务器端的智能健康信息系统设计与实现

远程医疗数据服务中心的Web服务器开发是利用Java EE技术来实现的。 Web服务器主要功能模块包括用户登录、数据查询和用户信息修改。用户登录界面如图11所示，含有用户登录和用户注册。数据查询界面如图12和图13所示。图12为使用图表显示出来的身体健康相关历史数据。图13为使用折线图显示出来的身体健康相关历史数据。

图11 智能健康信息系统Web服务器登录界面

图12 使用图表显示出来的某时间段健康相关历史数据

图13 使用折线图显示出来的某时间段健康相关历史数据

6 结论

随着中国逐步进入老龄化社会，心血管等疾病的预防监测越来越重要。心血管等疾病跟体重、血压和心率有很大的关联，实时监测这三种数据变化对预防心血管病具有重要的意义。设计开发的基于单片机的智能家庭健康监控设备可准确方便地测量出身高、体重、血压和心率，并能对这些数据进行远程服务器存储和分析。该设备的用户，通过使用手机APP或PC浏览器就能随时随地查看健康相关的历史数据，并能获取相关疾病预防及治疗建议。

［1］陈瞰，陆玲霞，陈志远.基于智能手机的实时体重健康管理系统软件设计［J］.电脑知识与技术，2013，9（6）：1370－1373.

［2］张兰，江学成，张维珍，等.不同血压计测量法对老年患者血压误差的影响［J］.齐鲁护理杂志，2013，19（19）：112－114.

［3］陈爱萍，莎茹拉.全自动电子血压计准确性分析［J］.中国医疗设备，2014，29（3）：128－129.

［4］刘丽芳，谢晋湘，晋库根，等.汞柱血压计和电子血压计测量血压的比较分析［J］.中华保健医学杂志，2012，14（2）：147－148.

［5］李学哲，黄成玉，张全柱，等.基于STC12C5A的电子血压计综合性能评价系统研究［J］.电子技术应用，2013，39（6）：89－91，95.

［6］吴振深，吴俊，邓惠燕，等.基于 Android 智能手机的移动式环境监控系统开发［J］.三明学院学报，2013，30（2）：32－37.