李浩千,陶永新,薛士杰,陈波,陈柏沅,钱韦廷
( 合肥工业大学,安徽 合肥 230009 )
国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见于2015年正式公布,提出大力发展以互联网为载体、线上线下互动的新兴消费,加快发展基于互联网的医疗、健康、养老、社会保障等新兴服务。近年来在医疗领域出现较多智能化工具,但这些智能工具相对单一和封闭,尚不形成完整的系统,缺乏线上线下交互,没有充分利用线下收集信息的价值。本文主要介绍一种基于云技术的家用智能医药工具箱,其利用智能传感、单片机、蓝牙通信等多种有关物联网感知,传输和应用处理领域的关键技术,融合智能手机终端软件和云技术实现医疗贴身私人化、医疗数据社区化的方案。
家用智能医药工具箱系统主要包括:线下智能医药工具箱,智能手机终端APP,线上云平台,其系统框架见图1。
由图1可知,通过安装在药箱里的单片机及其附加设备对用户的体征参数例如体温、脉搏进行测量,通过单片机的蓝牙功能上传至手机,通过网络发送至网络数据库。
图1 家用智能医药工具箱系统框架
智能医药工具箱利用红外指尖脉搏以及体温测量模块对人体体征进行测量,采用51单片机对体征测量模块进行控制。STM32单片机作为51单片机的上位机,通过串口通信,采集体征数据进行管理。同时,STM32控制药品的扫码,将药品条形码中的保质期、药品名称等信息进行读取并通过蓝牙模块将其与体征数据以及用户用药情况上传手机APP。APP作为用户管理终端可将用户体征数据、用药情况同步至云端网络数据库,这些数据可以作为一种“电子病历”,在就诊时供医生参考。进一步的发展也可考虑利用大数据处理等技术对云端数据应用于医疗相关研究。同时,APP设有定时提醒用药、一键报警等功能。
采集系统由透射式指尖脉搏和体温测量组成,负责测量人体心率和体温信息采集,经51单片机与STM32间串口通信传输至上位机以备上传手机。
指尖脉搏: 手指血液的饱和程度随着心脏跳动有节奏周期性变化,对光路的阻挡作用也因此周期变化。系统利用红外线发射二极管发射红外线,接收三极管接收透过指尖的红外线。因接收的光强度变化,三极管的电流随之改变,将三极管的输出脉冲信号放大、滤波、整形后输出,处理后的脉冲信号作为51单片机外部中断信号。51单片机作为处理器对脉冲进行计数,通过计算得出人体心率。对指尖脉搏脉冲有两种处理方法。一种是记录一段时间内例如10 s内脉冲数,按比例换算出每分钟心脏跳动次数,其缺点是所花时间较长。另一种是计量脉冲频率,进而计算出结果。优点是时间较短但其结果受扰动影响大。
外部干扰可导致两次脉冲间隔时间短,从而使心率结果偏大。通过硬件电路加滤波电路和软件程序增加延时可达到抗干扰目的。
体温测量:利用热敏电阻阻值随温度变化的原理,将温度信号转化为与温度负相关的模拟电压信号,处理电路如图2所示。利用模数转换器ADC0809在51单片机的控制下将模拟电压信号转化为数字信号。51单片机根据模块温度和输出电压的线性关系将数字电压信号转化为示温度大小的数字信号。
图2 温度信号处理电路
药品追溯码由20位数字加密编码采用code128c一维条码和数字字符体现,其中包含了药品名称、生产厂家、生产日期等信息。目前,药品追溯码的监管工作还在整合期,阿里云仅整合了部分药品追索码。考虑到药品条码识别和药品管理权限等难题故用模拟识别来替代该功能。具体是由4路红外黑白识别模块模拟条形码识别模块,通过扫描模拟条形码输出4位数据来模拟追溯码。图3为识别模块电路图。
图3 识别模块电路
如图3所示,GND接地,VCC接电源正极,每一路传感器的红外发射管不断发射红外线。当发射管对准黑条时,发射出的红外线没有被反射回来,红外接收管处于关断状态。此时模块的TTL输出端为高电平,相应指示二极管处于熄灭状态;红外发射器对准白条时,红外线被反射回来,红外接收管导通,此时模块的TTL输出端为低电平。四路输出DO1-DO4为TTL信号,可直接连接单片机的IO口PB5-PB8,单片机通过IO口读取模拟条码数据(IO口采用上拉输入)。单片机通过与模拟药品库数据比对后确定药品,由此完成模拟药品的扫码识别。识别模块见图4。
图4 识别模块
本设计中采用HC05嵌入式蓝牙串口通讯模块,具有自动连接工作模式和命令响应工作模式,在自动连接工作模式下模块可作为主、从和回环三种工作角色。当模块处于自动连接工作模式时,将自动根据事先设定的方式连接数据传输;当模块处于命令响应工作模式时,可执行下述所有AT命令,用户也可向模块发送各种AT指令,为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚(PIO11)输入电平,可实现模块工作状态的动态转化。
系统APP设计与开发选用App inventor平台。App inventor是一款可视化编程工具,它提供了基于Web图形的用户界面设计工具,分为UI设计界面和逻辑界面。UI设计界面可有序排列APP组件,逻辑界面可进行逻辑功能设定。在本系统的APP中,主要设计服药提醒功能以及数据接收与上传功能。
服药提醒功能中,逻辑设计为:打开屏幕,APP自动读取当前时间。此时设定提醒时间,计时器开始工作,当到达预定时间时,屏幕出现提示字幕,铃声响起。
数据接收与上传功能中,逻辑设计为:单片机蓝牙模块作为服务端发送数据,手机蓝牙作为客户端接收数据。App inventor具备蓝牙单元,将手机端配置为客户端即可,点击“连接智能医药工具箱”按钮时出现连接表,选择适应的蓝牙设备即可连接。
软件的逻辑实现是预先设置计时器1——初始化全局变量global liebiao——初始化全局变量global时间和初始化全局变量global数据库。APP初始化时,计时器1不启用,点击“连接智能医药工具箱”且成功连接计时器1开始计时,进行逻辑判断——蓝牙连接且接收到蓝牙发送的字节数不为零,收到蓝牙数据记入全局变量global liebiao。将系统时间记入全局变量global,将两个全局变量写入微数据库1中保存,通过全局变量global 数据库调用微数据库中实时保存的数据。此时,数据显示在APP屏幕上,输入数据并保存后,计时器请求当前时间,连同输入数据发送至设定的网络数据库,完成数据上传。
系统的网络数据库较好地实现了“互联网+”这个功能。通过平台提供的网址进行申请即可构建专用网络数据库,当接收到APP传递的数据时,按设计序列将用户名及其数据进行保存。网络数据库构建了模拟的“医疗社区”,将多个数据采集终端联合起来,可实现用户个人的电子数据档案,方便就医时时参考,同时也为用户提供了远程数据监测管理功能,在一定情况对应急救助有较大帮助。另外,如引入大数据处理等技术,对相关的医学研究也可提供辅助样本。
通过硬软件调试,智能医药工具箱基本实现了上述功能,在一定程度上实现了家用医疗设备的多功能化、智能化。平台大数据,物联网正全方位改变着人们的生活,本文设计将线上云平台及线下医疗检测设备通过大面积普及的智能手机终端连接,充分挖掘医疗硬件数据的潜力,通过软件和云平台促使医疗历史去纸化、医疗数据管理精细化,对个人医疗服务,广泛医疗研究有着积极意义。
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