基于Android和WiFi的医用衰弱表型采集系统

魏 来，陈晓宁，王 健

(安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601)

我国衰弱老年人口数量较大, 且呈逐年增加趋势, 医疗及社会资源需求越来越大.尽早发现高危人群, 对老年衰弱进行准确评估并积极干预, 具有重要意义[1].研究显示步速变慢与老年人患病明显相关[2].步速测量操作简单，适合临床开展，但目前的步速测量存在较大误差且不便捷.运用WiFi无线传输技术，能将采集的参数及时传回监测系统.通过Android的人机界面能查看个体参数，且对参数进行分析.鉴于此，笔者设计基于Android和WiFi的医用衰弱表型采集系统，以方便医护人员利用该系统测量老年人的相关参数.

1 系统框架

如图1所示，系统由如下部分组成: 参数采集模块、控制处理模块、供电模块、无线传输模块和上位机. STM32F103RCT6控制器将采集的数据通过WiFi无线传输至上位机监控中心，上位机监控中心对数据进行处理、存储及显示.

图1 系统框架

2 硬件系统

2.1 参数采集模块

身高数据的精度要求为厘米级，且采集为非接触式.超声波测距原理为：发射器发射超声波的同时开始计时, 超声波在空气中传播, 遇到障碍物后反射, 接收器收到超声波马上停止计时，根据时差计算距离[3].选择HC-SR04超声测距传感器采集身高参数.

利用传感器将质量参数转化为电信号，再根据电信号的类型和强弱确定信号处理方法.测量体重的传感器由4个50 kg的电阻应变片组合而成.信号处理电路中，使用了电子秤专用模拟/数字 (A/D) 转换器芯片HX711[4].

采集行走速度时，先探测人体，后对探测到的状态进行识别判断.选用红外感应传感器，识别信号为人体发出的红外信号，然后将人体红外信号转换为电信号[5].

2.2 控制处理模块

控制处理模块能识别进入检测点的人体、控制计时器的启停、计算步行时间及速度、处理身高及体重信号.STM32F103RCT6控制器通过51个快速I/O端口获得传感器采集的参数，其优点是速度快、功耗低、性能稳定、性价比高.

2.3 无线传输模块

ESP8266芯片具有集成度高、功耗低和通用性强的特点[6-7]，因此在无线传输模块使用ESP8266芯片.数字信号经单片机处理后，通过无线传输模块发至路由器, 再传至数据分析软件.分析软件对收到的数据进行整合、分析、存储及显示[8].图2为无线传输模块电路.

图2 无线传输模块电路

2.4 供电模块

采用可充电锂电池对系统充电.锂电池工作电压为5 V、容量为1 800 mA·h.由于STM32F103RCT6控制器工作电压为3.3 V,因此需要降压.用低压差的线性稳压器AMS1117将5 V转换为3.3 V，供STM32F103RCT6控制器使用.降压电路如图3所示.

图3 降压电路

3 软件系统

3.1 下位机软件

下位机软件由采集及处理、WiFi无线传输软件构成，程序用C语言编写.下位机软件流程如图4所示.

图4 下位机软件流程

传感器采集的数据，经滤波、放大、A/D转换后，将数据以TTL波形电平的形式传给单片机.单片机处理程序有：引脚初始化、信号解调;相关程序运行后，保存有效数据;所有数据采集打包完毕，通过串口发至上位机.

无线传输的初始化内容有：串口配置、WiFi及相关连接.无线传输通过单片机的串口实现，所以WiFi上的rxda1和txda1引脚要与单片机的rxda和txda连接.初始化完成后，通过软件输入IP地址及端口信息，利用TCP/IP协议建立数据连接.

3.2 基于Android的上位机软件

在具有Android操作系统的移动终端上编写上位机软件[9].上位机APP能实现WiFi通信初始化、WiFi连接、数据发送等功能.软件的开发环境为基于Java的整合型可扩展平台Eclipse[10].

3.2.1 上位机程序

系统采用C/S结构设计，通过Socket实现服务器与客户端的网络通信[11-13].上位机和服务器间通过Json字符串进行信息交流，上位机利用Google的Gson开源框架解析Json字符串，然后对前端数据进行处理、展示及储存.服务器使用的数据库是MySql数据库，通过Mybatis框架连接服务器与数据库.通过上位机程序设置TCP协议、服务器IP地址及端口号.下位机客户端发送连接请求，上位机接到请求后连接TCP.下位机发送参数至上位机软件，上位机软件存储及显示数据.

3.2.2 上位机界面

程序打开之后,主界面显示“欢迎”.“欢迎”界面的设置是为了提前打开基于TCP协议的Scoket连接.

登录时，若用户没有账号，则进入账号申请界面.进入账号申请界面后，客户端给服务器发送指令，服务器接收且解析后作出响应，将连接服务器的线程放入申请账号的线程池.账号申请完毕后，将申请账号的线程池转移至普通登录的线程池.图5为登录流程.

图5 登录流程

登录后，界面包含Toolbar和Fragment两个控件.Toolbar为网络连接控件，其上放置TCP连接按钮；Fragment为传输控件，其上放置发送按钮.

WiFi无线传输模块接收、分析数据后，将数据显示在主界面上[14-15].通过显示屏可监测参数，数据一目了然，界面友好，符合审美习惯.

4 实验结果及分析

实验场地为中国科学技术大学第一附属医院内科病房，选择2018年该医院住院资料完整的100例老年人为研究对象.传统测量通过皮尺、电子秤及秒表完成.采用传统方法及该文方法进行步速、体重、身高测量，对比结果如表1所示.

表1 测量参数对比

传统方法采用标准仪器测量，因此笔者视传统方法测得的数据为真实值，计算该文方法相对传统方法的误差.由表1数据计算得到：步速误差为0.309%，身高误差为0.074%，体重误差为0.158%.上述误差不超过1%，表明测量数据有较高的准确性，达到了设计要求.

由于步速参数对于采集系统更有意义，因此对步速参数做进一步的标准偏差分析.选定男女各5名受试者，基于2种方法采集的步速数据，使用标准偏差公式计算得到的结果如表2所示.

表2 标准偏差对比 m·s-1

由表2可知，该文方法偏差值小于传统方法，因此该文方法精度更高.

5 结束语

笔者以微型处理器为控制中心，结合多种传感器、WiFi无线通信及上位机软件，构建了基于Android和WiFi的参数采集系统，实现了身高、体重以及步速数据的采集及传输.设计的基于Android系统的上位机能实时无线存储及显示数据，减轻了医护人员的劳动强度，满足了测、记、分析一体化的需求，具有推广价值.