基于社区老人的智能手环设计

张文超

（东华理工大学核应用技术研究所，江西 南昌 330000）

在科技迅猛发展的今天，物联网技术和智能化技术已经成为发展的潮流，健康医疗和可穿戴设备技术日益成熟，利用通信、网络技术解决生活中的问题，提高生活质量，是科技发展趋势，也是其目的。基于此设计一款老人使用智能手环，借助GPRS无线数据上传数据，子女远端查看，有效避免老人受到意外伤害。结合物联网概念和医疗健康，监测老人日常健康状态，如心率、运动状态、睡眠、意外跌倒等，通过手环集成GPRS无线数据传输模块送至云端服务器，通过服务器认证转发机制，子女家属等通过子端APP，即可在线实时掌握老人的身体状况。同时实现意外状况提醒功能。

1 整体设计方案

开发流程：本设计包含软件APP设计和硬件手环设计，其功能上的最大特点是实现了手环数据的远程智能终端查看，借助服务器实现数据实时上传，服务器实时分发至远程智能终端。如下图1。

图1 系统运行流程图

本系统中手环主要包括五个部分：光电反射式心率传感器、六轴加速度传感器、32位ARM处理器、BLE低功耗蓝牙4.0、OLED彩色显示屏。通过处理器采集心率传感器和六轴加速度传感器数据，进行计算分析出心率值和运动状态，将数据打包通过TCP/IP通信协议送至网络服务器。网络服务器开放一个公共端口，端口允许客户端多连，远端智能手机在收发网络数据时，向服务器申请建立链接，进行数据接收。网络服务器根据数据包内包含的识别信息，来进行数据实时分发。远端智能手机接收到数据包，进行数据解包，通过正则表达式提取数据，更新UI，在意外状态出现时进行状态报警提示。网络服务器接收数据后进行数据解包，根据识别信息，将数据下发至远端亲属智能手机及社区医生，亲属及社区医生实时掌握手环使用者健康情况。

2 系统硬件设计

STM32F103CBT6属于ARM架构处理器，支持操作系统运行，有丰富的外设，片内带有DMA控制器、通用IO口、USART接口、SPI接口、T2C接口等，所有通用IO口都可以配置成外部中断，主控制器电路如图2。

图2 主控制器电路框图

3 系统软件设计

软件设计包括手环处理器程序设计和智能手机APP设计，STM32处理器程序基于C语言，进行人体端数据捕捉和处理，和手机建立蓝牙通信，发送接收数据包，同时更新手环显示屏；智能手机APP程序基于Java编程语言，打开APP登录成功后开启蓝牙收发数据线程，当接收到数据流，和服务器建立TCP通信隧道，将数据流发送至网络服务器，亲属同样打开APP进入查看模式，实时接收服务器发送的数据，进行可视化图线显示，首先对各个功能IO口进行初始化配置，由于STM32每个IO口都是通用IO口，所以要根据每个IO口执行的功能进行输入输出方式设置。软件程序流程图如下图3。

图3 系统软件程序流程图

APP蓝牙通信设计。实现蓝牙功能需要调用的核心类BluetoothAdapter，由于手环蓝牙需要发送数据到智能手机，智能手机需要发数据到手环蓝牙，因此双方蓝牙为主从机模式。首先读取手机蓝牙状态信息，判断蓝牙是否打开，若没有则打开蓝牙，扫描周围设备，发现新设备，点击选择连接，验证UUID码是否一致，验证PIN码是否正确，如果不一致则结束本次连接动作，如果UUID码一致，PIN码正确，则建立连接，完成连接后可以开始进行数据传输，由于Android操作系统的运行机制属于多线程运行，每一个服务都可以单独开启一个线程，线程中又可以同时执行多个任务，通过在Acitivity中创建Handler，每个Handler有一个消息池，各个子任务的沟通以及和主线程之间通信都是通过消息池来完成。比如蓝牙接收消息任务，当有蓝牙输入流时，检测到消息就会抛出msg消息加入消息池队列，Handler不断扫描消息池队列中是否有信息，根据msg消息识别消息来自于哪个子任务，然后在蓝牙子线程中执行相应的程序。比如接收到msg消息识别来自于蓝牙输入流，则在主线程中将输入流接收到的数据传送至TCP线程。

4 心率信息处理程序

检测心率信号通过外部中断IO口，检测心率传感器输出信号，心率采集芯片采集到的心率信息不利于处理器处理，经过硬件电路进行信号调理放大转换成方波信号，这样处理器就能正常触发中断识别信号，但是由于手环随身携带，人走路或者运动时不可避免的会造成心率信号串入噪声。下面我们来观察一下心率模块在人体不同状态下输出的信号波形如下图4。

图4 运动状态心率信号波形

对比静止状态的传感器输出波形和运动状态传感器输出波形差别很大，静止状态的波形很完好，直接检测相邻两个脉冲上升沿或者下降沿时间差即可计算出准确的心率，但是对于运动状态的心率信息，就需要用额外的方法进行数据分析了。通过观察波形可以看到，即使信号很杂乱，但其还是有一定的心跳特征，在一段时间的脉冲不断跳变之后，会出现一段相对比较长时间的维持高电平时间，因此，可以通过检测一段相对较长时间的高电平结束下降沿到先一个相对较长时间的高电平结束下降沿之间的时间差来计算心率数据，这样可以快速又准确的得到心率数据。

5 Android手机端APP设计

手环的数据分享离不开APP，本身手环并不能和互联网互通，但是当手环和智能手机互联时就可以借助手机的功能对互联网进行访问，因此智能手机APP在这里作为一个数据沟通的纽带。同时，该设计的APP可同时满足手环佩戴者使用，也可完成远端亲属查看数据使用，通过选择父端模式或子端模式，即可进入不同模式界面执行相应功能。当进入父端模式时，APP主要执行的功能是打开手机蓝牙，通过蓝牙连接手环，接收手环发送的数据，对数据进行分析判断是否为有效数据，是则建立网络连接隧道，通过4G或者WIFI网络将数据发送到网络服务器上。当进入子端模式时，APP主要执行网络数据接收功能，同样对数据进行判断是否有效，是则按照设定的数据范围要求进行判断，判断接收测量数据是否超出正常范围，若超出正常范围则控制手机振动或者响铃进行提醒，同时在交互界面上画出心率值波动曲线，更新运动状态信息，以便实时掌握老人状态。

6 结语

该设计实现了老人心率及运动状态的基本功能，通过实验得到了满意的结果。

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