穿戴式軀感網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1.1.3體溫模塊

　　體溫模塊采用非接觸式TN901紅外測(cè)溫傳感器，它采用高靈敏度、高精度、低功耗設(shè)計(jì)，它只需3V電壓供電，并且具有I²C數(shù)字接口，能很好的與單片機(jī)進(jìn)行通。該模塊完成數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理和計(jì)算，將體溫值通過(guò)串口藍(lán)牙模塊完成數(shù)據(jù)的傳輸。

　　該模塊利用TN901傳感器接近監(jiān)護(hù)對(duì)象的皮膚，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的體溫測(cè)量。測(cè)量的誤差低于+0.3℃，并具有便捷、精確和快速、安全、高精度、低功耗、非接觸等優(yōu)點(diǎn)。該模塊體積小，方便攜帶。體溫模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

　　1.2 通信模塊

　　通信模塊主要由藍(lán)牙模塊、模塊識(shí)別和信息安全、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議三部分組成，主要是為軀感網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定地、可靠地、安全地傳輸?shù)杰|感網(wǎng)中心點(diǎn)提供保障。

　　1.2.1 藍(lán)牙模塊

　　為了生理數(shù)據(jù)采集模塊可穿戴性、可攜帶性，以及藍(lán)牙的廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)采用藍(lán)牙通信完成無(wú)線傳輸生理參數(shù)信息。

　　藍(lán)牙作為一種低成本近距離的無(wú)線通信方式，解除了設(shè)備之間電纜連接的不便，且具有功耗低，對(duì)人體危害小等各種優(yōu)點(diǎn)。使用藍(lán)牙通信模塊，可以使得用戶擺脫有線的限制，可以自由行動(dòng)。在本系統(tǒng)中采用ATK-HC05 模塊，它是一款高性能主從一體串口藍(lán)牙模塊，將STM32或單片機(jī)的串口輸出引腳與ATK-HC05模塊相對(duì)應(yīng)的引腳進(jìn)行連接。該模塊尺寸只有16mm*32mm，并且兼容5v或3.3v單片機(jī)系統(tǒng)，方便與設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行結(jié)合。另外還可以通過(guò)AT命令操作模塊設(shè)置相應(yīng)的波特率、配對(duì)密碼、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位等一些信息。

　　1.2.2 模塊識(shí)別和信息安全

　　由于監(jiān)護(hù)對(duì)象的生理參數(shù)信息的隱私性和重要性，它不應(yīng)被別人訪問(wèn)或獲取，因此在數(shù)據(jù)采集模塊將采集的生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰|感網(wǎng)中心點(diǎn)之前需要進(jìn)行模塊識(shí)別和權(quán)限驗(yàn)證。

　　在本系統(tǒng)中，模塊識(shí)別策略是利用藍(lán)牙模塊的關(guān)鍵碼來(lái)驗(yàn)證，關(guān)鍵碼是由藍(lán)牙模塊的功能號(hào)和序號(hào)組成，如心電模塊的功能號(hào)為ECG，血氧模塊的功能號(hào)為SPO，其他模塊與之類似。在軀感網(wǎng)中心點(diǎn)上對(duì)模塊的關(guān)鍵碼進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證成功，建立藍(lán)牙通信連接。

　　在軀感網(wǎng)中心點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集模塊連接建立之后，還需確定訪問(wèn)者是否有權(quán)獲取該數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)。因此在本系統(tǒng)中，采集模塊還需對(duì)軀感網(wǎng)中心點(diǎn)進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證，由軀感網(wǎng)中心點(diǎn)提供訪問(wèn)該模塊的用戶名和密碼，相應(yīng)的采集模塊來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證，如果驗(yàn)證成功，則將采集的生理數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆撥|感網(wǎng)中心點(diǎn)，否則取消與軀感網(wǎng)中心端的連接。

　　1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

　　由于藍(lán)牙通信具有所有的無(wú)線通信共同的缺點(diǎn)，即通信的不穩(wěn)定性和易受外界環(huán)境干擾的特性。數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中，很容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸中斷和數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，當(dāng)丟失的數(shù)據(jù)達(dá)到一定程度時(shí)，很容易使得接收端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤判，產(chǎn)生錯(cuò)誤的結(jié)果，所以，需要設(shè)計(jì)一套實(shí)時(shí)和可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議使得采集到的數(shù)據(jù)按照一定的格式封裝并盡可能快地傳輸?shù)杰|感網(wǎng)中心點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

　　針對(duì)中心處理平臺(tái)資源有限性和數(shù)據(jù)傳輸可靠性，本系統(tǒng)采用固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)幀來(lái)封裝生理參數(shù)數(shù)據(jù)，幀數(shù)據(jù)格式如圖8所示。穿戴式傳感器采用循環(huán)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)送子程序負(fù)責(zé)將采集到的生理數(shù)據(jù)封裝成幀數(shù)據(jù)并完成幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。對(duì)軀感網(wǎng)中心點(diǎn)要求重發(fā)的幀按照幀序號(hào)進(jìn)行重發(fā)，考慮到MCU的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)空間大小有限以及ECG波形、血氧波形實(shí)時(shí)顯示性，只重發(fā)一次丟失的幀數(shù)據(jù)，由于在通常情況下，丟失數(shù)據(jù)發(fā)生的概率較少，所以重傳一次能夠滿足大部分的要求，同時(shí)保證了好的實(shí)時(shí)性。

　　1.3 中心處理模塊

　　中心處理模塊主要完成生理數(shù)據(jù)的接收以及將生理參數(shù)可視化地展現(xiàn)出來(lái)，方便監(jiān)護(hù)對(duì)象能夠?qū)崟r(shí)地了解自己的健康狀況。在本系統(tǒng)中，中心處理模塊運(yùn)行在智能手機(jī)上，它采用Android系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)、查看歷史數(shù)據(jù)、GPS定位，異常情況自動(dòng)報(bào)警等功能。

　　Android系統(tǒng)提供了藍(lán)牙API開(kāi)發(fā)類，實(shí)現(xiàn)打開(kāi)藍(lán)牙、搜索附近藍(lán)牙設(shè)備等基本操作，再利用藍(lán)牙套接字連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在Android應(yīng)用程序中，需要利用多線程同時(shí)保持多個(gè)通信連接，分別接收軀感網(wǎng)中的多個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)街行奶幚砟K上的生理數(shù)據(jù)。在進(jìn)行生理參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，對(duì)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理并利用繪圖類SurfaceView，可以顯示實(shí)時(shí)性的ECG波形、血氧波形變化曲線，并通過(guò)檢測(cè)一段時(shí)間內(nèi)的QRS波個(gè)數(shù)，來(lái)計(jì)算心率。并以直觀的數(shù)字形式顯示心率、呼吸率、脈率、血氧飽和度、體溫，并利用文件操作類實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，為后期的疾病診斷提供幫助。系統(tǒng)中還實(shí)現(xiàn)GPS定位、異常情況自動(dòng)報(bào)警功能，例如：心率如果超過(guò)90次/min，則發(fā)出心跳過(guò)快語(yǔ)音報(bào)警。中心處理模塊的主界面如圖9所示。