基于Android平台的脉搏检测实验系统设计*

韩 君，张庆平

（深圳职业技术学院 电子与通信工程学院，广东 深圳 518055）

脉搏是常见的生理现象，健康的成年人每分钟脉搏跳动在60-100次左右[1]．脉搏的快慢可以一定程度反映人体心脏和血管的机能状态，每分钟脉搏跳动的次数称作脉率．

本文提出的基于Android平台的脉搏检测实验系统由脉搏传感器、单片机系统、智能手机组成．把脉搏传感器固定在中指或拇指处，学生可以简便地测出脉率值，测量的结果在学生手机上显示出来．该实验系统已应用于我校物联网应用技术专业“传感器应用技术”课程的实践教学中．通过使用该实验系统，学生在系统设计、电路调试、Android应用开发、软件调试等方面都有了很大的提高．

1 设计背景

传统传感器教学中常用万用表、示波器等仪器对传感器检测的信号进行测量和观察．随着集成化程度提高，智能传感器应用越来越广，智能传感器可以通过WIFI、蓝牙等无线网络和移动终端相连，移动终端方便快捷的接收并显示传感器的测量信息[2]．Android系统手机就是一种便捷的移动终端，利用学生自己的手机不会增加实验成本，将Android手机作为实验系统中的一个组成部分，也会大大提高学生的参与兴趣．

自2019年以来，我校物联网应用技术专业开展了基于Android的“传感器技术”课程建设项目，将培养学生在移动终端软件层的设计和调试能力融入到“传感器应用技术”课程教学中，有利于充实传感器课程资源库的知识点和技能点体系[3]．

基于上述思想，选取脉搏信号检测作为传感器实训教学的典型实验案例，通过该实验系统不仅仅使学生了解脉搏传感器的基本原理，还能更大程度提高学生将传感器、单片机系统和移动终端设备综合使用的能力，整体提升学生软硬件开发综合能力．实验系统框图如图1所示，由脉搏传感器模块，单片机模块、WiFi传输模块和移动设备显示端组成，可以将传感器模块采集到的脉搏数据经单片机模块处理，计算出脉率值，再通过 WiFi传输模块发送到移动安卓终端上显示．

图1 系统组成框图

2 硬件设计

2.1 脉搏传感器模块设计

本系统使用的脉搏传感器是是一种集成式脉搏传感器．它的内部由发光管、光敏管和放大电路组成．随着心脏的搏动，手指端的血流量发生周期性的变化[4]，照射到手指端的光信号反射到光敏接收管，反射的光信号强度同样也会发生周期性变化，利用光敏接收管及放大电路，最终传感器输出与人体脉搏同步的电压信号．

脉搏传感器输出电压信号Up经过由AD8615组成的电压跟随器变换，输出电压U0接到单片机的模拟输入通道PA0．另外，脉搏传感器输出信号Up经LMV358电压比较器输出Upo控制指示灯D1，通过指示灯D1观察脉搏跳动的情况．脉搏传感器电路如图2所示．

图2 脉搏传感器电路

2.2 单片机模块设计

ATmega16单片机最小系统[5]组成了单片机模块，主要完成AD转换，脉率计算和数据通信功能，电路如图3所示．脉搏传感器模块的模拟电压信号U0接入PA0模拟通道，进行AD转换，本实验系统可以实现1～3个通道的脉搏检测，其他两个通道的脉搏传感器电路与图2原理相同，不再赘述．AD转换的结果由串口—WiFi转换模块传至移动设备显示端．

图3 单片机最小系统电路

2.3 WiFi传输模块设计

系统采用HLK-RM04WiFi传输模块，它可以将来自串口的信号转换成 WiFi通信模式的信号，借助这个通信模块我们就可以将脉搏传感器采集数据发送给移动终端等设备显示[6]．WiFi传输模块与单片机连接电路如图4所示．

图4 WiFi传输模块与单片机连接电路

3 系统界面设计

3.1 脉搏显示界面设计

脉搏显示界面上显示三个脉搏采集点的状态和数值，界面程序MainActivity.java流程图如图5所示．学生手机通过获取服务器IP地址，与传输模块生成的 WiFi节点连接，接收传输模块上传的数据，并在显示控件对应位置显示脉率值，未连接传感器的采集点显示待连接状态．界面运行效果如图6所示．

图5 显示界面程序流程图

图6 显示界面运行效果图

3.2 客户端数据请求程序设计

为了能够接收到参数数据，需要在项目包下新建Client.java文件，在文件中创建connect方法连接服务器．在显示界面的程序流程中连接服务器部分即调用了 connect方法．数据请求客户端Client.java程序流程图如图7所示．

图7 客户端数据请求程序流程图

定义对象是为了后面的创建构造方法和创建连接方法做准备．采用Socket通信方式，这种方式方便与底层传感器模块通信，速度快而且灵活高效[7]．

创建Client构造方法，相当于定义使用它时的入口和出口参数．前面获得的服务器 IP地址传到这里，又通过myHandler返回传感器数据和状态消息，流程图如图8所示．

图8 Client构造方法程序流程图

创建 connect连接方法，这是数据请求客户端设计的核心部分．利用 socket通信方式，通过 IP地址和端口port，启动子线程thread读取数据输入流．程序流程图如图9所示．

图9 connect连接方法程序流程图

数据流读取在子线程thread中进行，读取的数据放在数组buffer中，如果读到数据符合传感器的数据格式，则通过myHandler发送buffer中的数据和连接成功消息．

4 实验内容设计

本实验系统由脉搏传感器电路实验部分、单片机模块实验部分、界面设计实验部分三个实验模块组成．每个实验模块安排了具体的实验内容．实验内容丰富，由简入繁，可以根据学生程度自由选择．表1列出了实验的具体内容、知识点、技能点，下面对实验过程进行简要说明．

表1 实验内容列表

首先，为了让学生建立质量管理的概念，实验中对选用的脉搏传感器进行质量测试，使用示波器观察其输出电压Up，根据说明书进行对比，进一步掌握脉搏传感器转换原理．示波器测量Up点的波形如图10所示．然后，按照文中图2电路进行脉搏传感器电路焊接，焊接完成后用示波器测量电路输出信号U0和Up0．示波器测量U0和Upo点的波形如图11所示，图中上方蓝色波形是U0，下方黄色波形是经过比较器电路的输出信号Upo．对比观察两个信号在时序上对应关系，并绘制脉搏波形曲线，计算脉率值．

图10 Up点的波形图

图11 U0和Upo点的波形如图

进一步指导学生连接单片机和 WiFi传输模块，下载单片机程序，按照文中所述系统界面设计的流程，在AndroidStudio开发平台上指导学生进行 APP界面的布局设计，及脉率数据读取设计，进行软件调试，最终在手机上显示采集点的脉率值，显示效果在文中图6所示．通过这个实验，学生能够基本掌握脉搏传感器原理和选型，电路制作和调试、常规电子仪表使用、Android界面布局，客户端数据请求程序设计和调试方法，并可以直观的在手机上观测到脉率值．

5 结 论

基于Android平台的脉搏检测实验系统在本校物联网应用技术专业的“传感器应用技术”课程的实践教学中充分调动了学生的积极性，收到良好的教学效果．通过使用该实验系统，学生可以掌握脉搏传感器的原理，更加熟练使用常规电子仪表，对模拟电路和单片机系统也有了更深的认识，学生在Android应用软件设计和调试方面的能力也有了显著的提高．实验内容由简入繁，学生的选择更灵活．可以分组进行实验，组成员之间相互配合，分工合作，硬件电路调试和界面开发可同时进行，对学生团队协作能力的培养也有很大的帮助作用．