基于Android的低功耗移動(dòng)心電監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.引言

隨著當(dāng)前信息技術(shù)和醫(yī)療水平的不斷發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，越來(lái)越多的人們對(duì)個(gè)人及家庭的健康護(hù)理提出了更高的要求，希望能夠隨時(shí)了解自己的身體健康狀況，并盡早發(fā)現(xiàn)病癥、解決問題。目前傳統(tǒng)的Holter系統(tǒng)體積大，使用不便的缺點(diǎn)也給人們的日常使用帶來(lái)了很大不便。因此，利用最新的無(wú)線傳感網(wǎng)與微處理器技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可長(zhǎng)期在線且具有無(wú)線移動(dòng)監(jiān)控能力的移動(dòng)心電信息采集監(jiān)控系統(tǒng)具有很高的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

本文通過研究人體心電信號(hào)的各項(xiàng)主要特征和實(shí)際監(jiān)測(cè)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套無(wú)線傳感心電信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過嵌入內(nèi)衣穿戴的智能電極對(duì)心電信號(hào)進(jìn)行采集處理，并通過目前已成為移動(dòng)設(shè)備標(biāo)配的藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將心電數(shù)據(jù)發(fā)送至Android智能監(jiān)控終端進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括嵌入內(nèi)衣的心電圖導(dǎo)聯(lián)、智能電極信號(hào)處理電路模塊、以及配置有藍(lán)牙的智能Android終端應(yīng)用，其中智能電極信號(hào)處理模塊包括模擬信號(hào)調(diào)理電路、微處理器電路和無(wú)線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)模塊以及可在模塊上擴(kuò)展體溫傳感器和血氧探頭等，進(jìn)而擴(kuò)展生命健康監(jiān)測(cè)參數(shù)。


圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)首先將嵌入內(nèi)衣的導(dǎo)聯(lián)電極采集的心電信號(hào)送往智能電極中信號(hào)處理電路模塊中，由模擬信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波放大。

信號(hào)經(jīng)調(diào)理之后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給主控微處理器分析預(yù)處理。之后經(jīng)無(wú)線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)通過無(wú)線信道送給配置有藍(lán)牙的智能Android終端應(yīng)用進(jìn)行診斷分析以及監(jiān)控顯示。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，終端應(yīng)用發(fā)出警報(bào)并可將結(jié)果通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至遠(yuǎn)程醫(yī)療中心。

由于智能電極中模擬信號(hào)調(diào)理電路不是本文對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所要重點(diǎn)闡述的部分，所以本文主要對(duì)數(shù)據(jù)分析預(yù)處理、無(wú)線藍(lán)牙通信和Android終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)做介紹。

3.智能電極控制軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司MSP430G2553超低功耗微處理器構(gòu)建中心處理單元。MSP430單片機(jī)在低功耗方面表現(xiàn)出色，支持快速休眠，大量節(jié)省系統(tǒng)能耗，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。所采用的G2553型號(hào)單片機(jī)加載有自主設(shè)計(jì)的危急特征提取算法，能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。

如圖2所示為智能電極控制軟件流程圖。


圖2 智能控制軟件流程圖

主要過程為在信號(hào)調(diào)理電路預(yù)處理心電模擬信號(hào)之后，超低功耗微處理器通過內(nèi)置的10位AD轉(zhuǎn)換模塊（采樣精度為3mV）對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，采樣周期為5ms，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)取高8位后通過與異步串口（UART）交由藍(lán)牙模塊通過無(wú)線藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)發(fā)出。

4.Android終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

4.1藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)

現(xiàn)代社會(huì)智能移動(dòng)終端已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的一部分，而目前大部分以手機(jī)為代表智能移動(dòng)終端都是以Android系統(tǒng)為操作平臺(tái)并配置有藍(lán)牙裝置，因此為了滿足人們?nèi)粘Ｉ钍褂玫男枨笠耘渲糜兴{(lán)牙的智能Android移動(dòng)終端為數(shù)據(jù)處理和診斷平臺(tái)來(lái)開發(fā)應(yīng)用程。該應(yīng)用程序以Java語(yǔ)言為主來(lái)進(jìn)行開發(fā)。如圖3所示為Android設(shè)備藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊設(shè)計(jì)。


圖3 Android設(shè)備藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊框圖

4.2 Android設(shè)備藍(lán)牙傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案

藍(lán)牙通信采用C / S通信模式。在設(shè)計(jì)時(shí)將接收端（Android設(shè)備）的藍(lán)牙作為客戶端，發(fā)送端（智能電極）藍(lán)牙作為服務(wù)器端。

在藍(lán)牙進(jìn)行相互連接時(shí)，利用了數(shù)據(jù)通信中常用的Socket（套接字）機(jī)制。當(dāng)兩端的套接字相互連接好以后，收發(fā)雙方的應(yīng)用就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的套接字，并從套接字處獲取數(shù)據(jù)，雙方的套接字則作為連接中轉(zhuǎn)站一樣，相互收發(fā)數(shù)據(jù)。下面對(duì)Android設(shè)備上藍(lán)牙接收軟件實(shí)現(xiàn)過程詳細(xì)闡述。

首先開啟A n d r o i d終端的藍(lán)牙功能，Android終端藍(lán)牙設(shè)備作為客戶端需要主動(dòng)搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備。這個(gè)搜索過程需要用到廣播機(jī)制，即搜索發(fā)起端需要一個(gè)廣播接收器，用于接收搜索信息。其建立的具體步驟為，首先定義一個(gè)繼承BroadcastReceicer的類，用這個(gè)類生成的實(shí)例就具備了對(duì)接收信息的操作能力，可以獲取需要的信息，比如藍(lán)牙設(shè)備名稱和MAC地址。經(jīng)過設(shè)置，該廣播接收器只對(duì)發(fā)現(xiàn)了藍(lán)牙設(shè)備這一消息和藍(lán)牙搜索結(jié)束這兩條消息響應(yīng)，并且完成了廣播接收器在本應(yīng)用中的注冊(cè)。用戶在使用時(shí)，只需要點(diǎn)擊“搜索”按鈕，終端設(shè)備開始搜索周圍藍(lán)牙設(shè)備，整個(gè)搜索過程將耗時(shí)12秒。這個(gè)過程中，本地藍(lán)牙適配器會(huì)搜索到周圍所有可以連接的藍(lán)牙設(shè)備，將這些搜索結(jié)果以列表的形式呈現(xiàn)在屏幕上，供選擇。連接開始前，首先關(guān)閉藍(lán)牙搜索功能。

在系統(tǒng)庫(kù)中有BluetoothSocket類，利用這個(gè)類生成相應(yīng)的實(shí)例便是接收端藍(lán)牙的套接字，如果該藍(lán)牙是作為服務(wù)器來(lái)連接的，則利用系統(tǒng)類BluetoothServerSocket來(lái)生成套接字對(duì)象。在連接之前需要預(yù)先設(shè)置好UUID，然后由Android智能終端發(fā)起連接請(qǐng)求，這里需要調(diào)用BluetoothSocket類中的connect（）方法，作為服務(wù)器端的藍(lán)牙設(shè)備監(jiān)聽到連接請(qǐng)求后會(huì)驗(yàn)證其UUID是否與自己的一致，驗(yàn)證通過后便可以完成連接了。需要特別注意的是，在這個(gè)過程中，連接過程是一個(gè)阻塞調(diào)用過程，為不影響主線程的工作，需要一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)進(jìn)行連接工作。

等待藍(lán)牙連接完成后，便可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在藍(lán)牙間的數(shù)據(jù)傳輸是由藍(lán)牙模塊自動(dòng)按照藍(lán)牙協(xié)議棧的要求進(jìn)行的，而在智能電極端從微控制器到藍(lán)牙模塊以及在Android終端從藍(lán)牙設(shè)備到應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳輸都是按照URAT異步串口通信方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)計(jì)中所設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸格式是以一個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度為一幀來(lái)傳輸?shù)?，其中?位數(shù)據(jù)位和1位奇偶校驗(yàn)位共同組成。所以接收端所接收的數(shù)據(jù)都是以字節(jié)為單位來(lái)存儲(chǔ)的。在這個(gè)通信系統(tǒng)中，還加入了對(duì)接收數(shù)據(jù)的另一數(shù)據(jù)檢錯(cuò)方案。數(shù)據(jù)的收發(fā)并不是將采集數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)?，而是將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所對(duì)應(yīng)的ASCII碼再轉(zhuǎn)成串行數(shù)據(jù)再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，這樣在接收端接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ASCII碼，如果這些ASCII對(duì)應(yīng)的不是數(shù)字或是已超出ASCII碼范圍，則認(rèn)為是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，將其丟棄。這樣做了之后，結(jié)合奇偶校驗(yàn)，只有低三位同時(shí)有兩位都傳輸錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)不能被監(jiān)測(cè)出來(lái)，出現(xiàn)這種情況的概率比較小，并且藍(lán)牙傳輸距離短，傳輸環(huán)境并不算惡劣，這樣的檢錯(cuò)能力已經(jīng)足夠了。數(shù)據(jù)接收過程也是一個(gè)阻塞調(diào)用的過程，所以同樣需要一個(gè)單獨(dú)的線程來(lái)完成。

接收到的數(shù)據(jù)，全部轉(zhuǎn)換為數(shù)字的形式（振幅信息）存儲(chǔ)起來(lái)，供心電圖的顯示提供數(shù)據(jù)支持。Android藍(lán)牙傳輸軟件流程如圖4所示。


圖4 Android藍(lán)牙傳輸軟件流程圖

4.3終端心電圖顯示

接收數(shù)據(jù)之后還有要在Android終端上描繪出心電圖，供使用者查看。在Android應(yīng)用開發(fā)中，通常會(huì)使用View這樣的控件來(lái)描繪圖案。本系統(tǒng)圖形是一個(gè)心跳幅度關(guān)于時(shí)間的二維坐標(biāo)圖，縱坐標(biāo)以毫伏為單位，橫坐標(biāo)以秒為單位。需要注意的是橫坐標(biāo)的標(biāo)識(shí)間隔，藍(lán)牙通信速率設(shè)置為9600位每秒，即1200字節(jié)每秒，所以每秒會(huì)收發(fā)1200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息，橫坐標(biāo)的設(shè)置應(yīng)該以1200個(gè)點(diǎn)為1秒進(jìn)行設(shè)置。

波形的描繪是一個(gè)坐標(biāo)描點(diǎn)的過程。

將接收到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)點(diǎn)的表示形式，存入到緩存區(qū)當(dāng)中。應(yīng)用程序在進(jìn)行波形描繪時(shí)會(huì)從該緩存區(qū)中依次提取數(shù)據(jù)點(diǎn)，在坐標(biāo)圖上描繪出一個(gè)連續(xù)的波形圖。

5.系統(tǒng)功能鏈路實(shí)現(xiàn)

按照如圖5所示鏈路對(duì)移動(dòng)心電監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行搭建，并以一正常無(wú)心電類疾病史人員為測(cè)試對(duì)象對(duì)整個(gè)系統(tǒng)鏈路功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。


圖5 系統(tǒng)鏈路圖

啟動(dòng)系統(tǒng)的智能電極和Android終端應(yīng)用程序之后，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)配對(duì)進(jìn)入界面選擇配對(duì)設(shè)備，并點(diǎn)擊“connect”按鈕，連接開始，由Android終端主動(dòng)發(fā)起連接請(qǐng)求，發(fā)送端監(jiān)聽到請(qǐng)求信息后即可回應(yīng)并建立連接。

為了方便使用和控制，數(shù)據(jù)傳輸是由接收端發(fā)起的。點(diǎn)擊屏幕中的“receive”按鈕，接收端通過藍(lán)牙向發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸?shù)?ldquo;開始”信號(hào)作為數(shù)據(jù)發(fā)送的起始信號(hào)。發(fā)送端在接到發(fā)送的“開始”信號(hào)后，便會(huì)開始發(fā)送數(shù)據(jù)，直到將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢為止，在接收端擁有與發(fā)送端相同大小的緩沖區(qū)接收數(shù)據(jù)，當(dāng)接收緩沖區(qū)裝滿后，接收停止。以此來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)同步。接收端需要對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢錯(cuò)，丟棄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，然后將有效數(shù)據(jù)存入波形顯示緩沖區(qū)中。在屏幕中部可以看到清晰的心電波形圖，如圖6所示。


圖6 Android移動(dòng)終端軟件主界面

當(dāng)用戶點(diǎn)擊“realTime”按鈕時(shí)，就可以在在屏幕上觀測(cè)到實(shí)時(shí)更新的心電圖。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了移動(dòng)心電信息監(jiān)控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)以及智能電極和Android移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)過程和主要實(shí)現(xiàn)方法。

本方案中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)Holter系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸、診斷進(jìn)行分離，僅利用內(nèi)衣穿戴形式的智能電極對(duì)信息參數(shù)進(jìn)行采集并采用微控制器進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理，之后將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出，交由配置有藍(lán)牙Android智能接收終端進(jìn)行進(jìn)一步的處理和診斷?？朔藗鹘y(tǒng)Holter系統(tǒng)體積大，使用不便，功耗大的缺點(diǎn)，可在日常生活中多日長(zhǎng)期在線工作，對(duì)使用者的健康隱患進(jìn)行監(jiān)測(cè)；并且終端數(shù)據(jù)管理與診斷分析程序能夠準(zhǔn)確記錄用戶的測(cè)試信息并且隨時(shí)查詢，而且在發(fā)生危急狀況時(shí)發(fā)出報(bào)警挽救生命。