基于Android 平臺的智能醫(yī)療系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

郭志濤，郭 忠，王 振

(河北工業(yè)大學 信息工程學院，天津300401;2．河北工業(yè)大學 計算機科學與軟件學院，天津300401)

0 引言

智能醫(yī)療是通過打造健康檔案區(qū)域醫(yī)療信息平臺，利用最先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)患者與醫(yī)務人員、醫(yī)療機構(gòu)、醫(yī)療設備之間的互動，逐步達到信息化．在不久的將來醫(yī)療行業(yè)將融入更多人工智慧、傳感技術(shù)等高科技，使醫(yī)療服務走向真正意義的智能化，推動醫(yī)療事業(yè)的繁榮發(fā)展．在中國新醫(yī)改的大背景下，智能醫(yī)療正在走進尋常百姓的生活．

隨著人們對無處不在的網(wǎng)絡迅速增長的需求，以及近年來老齡化加劇、各種疾病發(fā)病率的增長，無線體域網(wǎng)的應用越來越引起人們的關(guān)注．體域網(wǎng)是人體上的生理參數(shù)收集到傳感器或移植到人體內(nèi)的生物傳感器共同形成的一個無線網(wǎng)絡，這些傳感器節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸一般在兩米的超短距離．一個基本的體域網(wǎng)由多個節(jié)點和一個網(wǎng)絡管理器(簡稱網(wǎng)關(guān)，即體域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡之間的橋梁，使數(shù)據(jù)能夠得以安全地傳送和交換)組成．每個傳感器節(jié)點負責采集身體參數(shù)如體溫、血氧飽和度以及脈率等，而網(wǎng)關(guān)則是作為一個微型服務器收集所有節(jié)點采集的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡端，通過網(wǎng)絡與手機端進行數(shù)據(jù)交互與傳輸．傳感器、網(wǎng)關(guān)分別配有無線網(wǎng)絡模塊，智能手機出廠時也配有無線網(wǎng)絡模塊，采用這樣的無線傳輸而不是利用生物傳感器與手機硬件直接相連，拓展性強，操作簡單，而且任意手機都可安裝使用．綜上，這樣的網(wǎng)絡架構(gòu)很明確，而且實現(xiàn)起來也簡單，成本低廉．測試結(jié)果表明，此智能醫(yī)療系統(tǒng)可以成功實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的收發(fā)，而且速度幾乎同步，這對于智能醫(yī)療實現(xiàn)實時性傳輸數(shù)據(jù)具有重要的參考價值，同時滿足了便攜性、移動化的需要［1］．

1 平臺介紹

Android 是Google 于2007 年11 月5 日宣布的一種基于Linux 的自由及開放源代碼的操作系統(tǒng)，主要應用于便攜設備，如智能手機和平板電腦等．Android 一詞的本義指“機器人”，目前尚未有統(tǒng)一中文名稱，中國大陸地區(qū)較多人使用“安卓”或“安致”．

Android 的系統(tǒng)架構(gòu)和其操作系統(tǒng)一樣，采用了分層的架構(gòu)．從架構(gòu)圖看，Android 分為4 個層，從高層到低層分別是應用程序?qū)?、應用程序框架層、系統(tǒng)運行庫層和Linux 核心層．

結(jié)合Android 的系統(tǒng)架構(gòu)以及Android 平臺具有開放性、掙脫運營商的束縛、豐富的硬件選擇、無縫結(jié)合Google 應用等優(yōu)勢，為以后程序的擴展以及版本的升級與不斷改進帶來了極大的方便，使得智能醫(yī)療這個全新的系統(tǒng)能夠不斷發(fā)展進步．

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)整體設計

用戶通過安裝在Android 手機操作系統(tǒng)上的智能醫(yī)療應用程序和網(wǎng)關(guān)對人體的血氧飽和度、體溫、脈搏等數(shù)據(jù)進行采集，數(shù)據(jù)通過手機端顯示出來，用戶根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)判斷自己身體健康狀況．通過底層傳感器獲取的人體體征值是與專業(yè)醫(yī)療器械測得的體征值數(shù)以千萬次對比得出的結(jié)果，對于不準的數(shù)據(jù)或者稍微有些偏差的數(shù)據(jù)要經(jīng)過嚴格校驗與修正，測量的信息的準確性可靠、精確．網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，底層負責與傳感器各個節(jié)點交互，上層負責與Android 手機端交互．這樣網(wǎng)絡架構(gòu)的設計，沒有引用數(shù)據(jù)庫，省略了對于數(shù)據(jù)庫的寫入與讀取，大大縮短了數(shù)據(jù)收發(fā)所用時間，提升了速度，滿足了系統(tǒng)的實時性，這也是此系統(tǒng)的創(chuàng)新所在．

Android 客戶端與網(wǎng)關(guān)的通訊是基于WiFi 與網(wǎng)絡Socket 套接字技術(shù)．WiFi 是一種能夠?qū)€人電腦、手持設備(如PAD、手機)等終端以無線方式互相連接的技術(shù)． Socket 通常也稱作“套接字”，應用程序通常通過“套接字”向網(wǎng)絡發(fā)出請求或者應答網(wǎng)絡請求．Socket 和ServerSocket 類庫位于java ．net 包中． ServerSocket 用于服務器端，Socket 是建立網(wǎng)絡連接時使用的．在連接成功時，應用程序兩端都會產(chǎn)生一個Socket 實例，操作這個實例，完成所需的會話． 對于一個網(wǎng)絡連接來說，套接字是平等的，并沒有差別，不因為在服務器端或在客戶端而產(chǎn)生不同級別． 不管是Socket還是ServerSocket 它們的工作都是通過SocketImpl 類及其子類完成的［2］．

智能醫(yī)療系統(tǒng)的整體框架圖如圖1 所示．

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig．1 The frame of system

2．2 軟件設計

實現(xiàn)主要使用Java 語言，通過開源的Eclipse開發(fā)工具安裝ADT 插件進行開發(fā)，前提是在開發(fā)軟件的計算機上已經(jīng)安裝了Java 語言的開發(fā)工具JDK(Java Development Kit，JDK)，關(guān)鍵是采用Socket 套接字編程技術(shù)． 當用戶按下鍵或者更新手機界面時手機端應用程序便會通過socket 將相應指令通過WIFI 發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，前提是知道網(wǎng)關(guān)的IP 地址及公共的端口號，手機和網(wǎng)關(guān)處于同一個局域網(wǎng)之中．網(wǎng)關(guān)解析完指令，對硬件終端發(fā)送命令，網(wǎng)關(guān)回復相應指令，手機端按照自定義的協(xié)議進行解析，最終可以在手機端將結(jié)果展示給用戶，Android 手機端主程序流程如圖2 所示［3］．

圖2 手機端流程圖Fig．2 The flowchart of mobile terminal

2．2．1 動態(tài)配置網(wǎng)關(guān)

軟件在設計時，輸入網(wǎng)關(guān)IP 地址和端口號是一個動態(tài)配置網(wǎng)關(guān)的過程，不將IP 地址和端口號在代碼里寫成固定值，而是隨著網(wǎng)關(guān)端口號和IP地址的變化而變化給用戶操作帶來了方便．

2．2．2 套接字編程

我們平時所說的socket 通常也稱作“套接字”，用于描述IP 地址和端口，是一個通信鏈的句柄;應用程序通過“套接字”向網(wǎng)絡發(fā)送請求或者應答網(wǎng)絡請求;Socket 有兩種主要的操作方式:面向連接(TCP)的和無連接的(UDP);客戶端首先知道服務器端的IP 地址和端口號，然后進行連接發(fā)起通訊．

Android 的手機端和網(wǎng)關(guān)之間的交互就是利用socket 編程，將IP 地址聲明成String 類型的變量，端口號聲明成int 類型的變量，創(chuàng)建Socket 的對象，將IP 地址和端口號作為參數(shù)傳入，然后通過java 中指定的方法與網(wǎng)關(guān)進行發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的交互［4］．

2．2．3 單例設計模式

Android 手機客戶端需要經(jīng)常關(guān)閉界面與打開界面，按照常規(guī)簡單的編程切換界面時socket會隨著Android 中Activity 的消亡而關(guān)閉掉，重新回到一個新界面時會重新創(chuàng)建一個socket． 為了解決這個問題，采用java 設計模式中的單例設計模式．

單例設計模式的特點:單例類只能有一個實例;單例類必須自己創(chuàng)建自己的唯一實例;單例類必須給所有其他對象提供這一實例． 單例模式確保某個類只有一個實例，而且自行實例化并向整個系統(tǒng)提供這個實例．

2．3 網(wǎng)關(guān)設計

核心網(wǎng)關(guān)采用ATMEL 的AT91SAM9261 -EK 核心板，它本身內(nèi)存4MB，NAND FLASH 128MB，支持SD 卡，自帶網(wǎng)口，5 個USB 口，3 個串口，接口類型豐富，存儲空間大，支持嵌入式Linux 系統(tǒng)，開發(fā)方便快捷，運行穩(wěn)定，可勝任大部分的網(wǎng)關(guān)工作．

核心網(wǎng)關(guān)負責協(xié)調(diào)上層應用層與底層硬件無線數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)交互．通過串口連接無線傳感網(wǎng)絡的網(wǎng)關(guān)節(jié)點;通過網(wǎng)口連接局域網(wǎng)，通過網(wǎng)絡與手機等終端進行數(shù)據(jù)交互．網(wǎng)關(guān)原理如圖3 所示．

圖3 網(wǎng)關(guān)原理圖Fig．3 Gateway schematic diagram

2．4 硬件設計

實現(xiàn)主要使用C 語言，通過MPLAB IDE 集成開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)整個硬件系統(tǒng)的開發(fā)． 系統(tǒng)由NFR24L01 模塊組成星型網(wǎng)絡． 每個穿戴節(jié)點都由傳感器模塊與NFR24L01 模塊組成，傳感器模塊采集人體數(shù)據(jù)，由PIC1823 單片機對數(shù)據(jù)進行處理并通過NFR24L01 模塊發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行解析后發(fā)送到手機端． 如圖4 所示為硬件與網(wǎng)關(guān)的交互流程圖［5］．

3 軟件操作與實驗驗證

在Android 操作系統(tǒng)的手機上安裝智能醫(yī)療應用程序后，打開軟件，經(jīng)過開始界面，跳轉(zhuǎn)至智能醫(yī)療系統(tǒng)的配置網(wǎng)關(guān)界面，如下圖5(a)所示［6-8］．

圖4 硬件與網(wǎng)關(guān)交互流程圖Fig．4 The flowchart of Gateway interacts with hardware

圖5 操作詳解Fig．5 Operational details

在相應位置分別輸入網(wǎng)關(guān)IP 地址與端口號，然后點擊“登陸”按鈕，來到主界面，如圖5(b)左側(cè)圖所示，在沒有連接網(wǎng)關(guān)或者不對任何人進行體檢時，可以點擊“預覽”按鈕進行整個手機軟件的初步瀏覽與熟悉． 程序主界面的最上方是應用程序的名字，下方是幾個健康小貼士，包括體溫、血氧飽和度、脈搏三大健康指標，每隔5 s 自動更新滑動一次(相隔時間在程序里可以任意設定)，并且支持手動向左、向右滑動，點擊手機“菜單”鍵，可以選擇退出，當然也可以連續(xù)點擊“返回”按鈕退出手機應用程序．首先配置好網(wǎng)關(guān)，各個傳感器連接人體的不同位置，如圖5(b)右側(cè)圖所示，打開血氧飽和度模塊，點擊右上方的獲取數(shù)據(jù)按鈕，可以分別獲得人體動脈血和靜脈血的血氧飽和度．

打開體溫模塊，如圖5(c)左側(cè)圖所示，點擊右上方的獲取數(shù)據(jù)按鈕，可以收集到體溫數(shù)據(jù)，如圖5(c)右側(cè)圖所示，打開脈搏模塊，點擊右上方的獲取數(shù)據(jù)按鈕，可以得到連續(xù)幾次的脈搏次數(shù)，繪制成折線便于觀察，單位:次/分．

通過對此系統(tǒng)的實驗與反復測試表明采用本系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，手機端與網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)交互達到了實時性的特點，這正是我們未來智能醫(yī)療所需要與借鑒的．

4 結(jié)束語

雖然智能醫(yī)療這個概念在若干年前就被提出，直到這幾年才進入一個行業(yè)迅猛發(fā)展的時期．智能醫(yī)療這個概念也開始慢慢實物化． 本系統(tǒng)以無線通信技術(shù)為核心，研究了基于Android 手機平臺的智能醫(yī)療系統(tǒng)的可行性以及實現(xiàn)方案．

此系統(tǒng)手機UI 做的還比較粗糙，后續(xù)尚可完善，讓用戶界面更人性化和更具美感．此外，還面臨著對整體系統(tǒng)操作的速度等問題，Android 手機各個版本的測試問題．目前對于不同種類的、不同規(guī)格的醫(yī)療設備還沒有一個統(tǒng)一的實行標準．［8］

［1］ 李高尚，沈?。?一種應用于移動健康醫(yī)療的Android客戶端的研究［J］． 電子測試，2012(2):64 -67．

［2］ 王麗娟，孫西超，底松茂，等． 軟件復用與基于面向?qū)ο罂蚣艿能浖_發(fā)方法［J］． 鄭州大學學報:工學版，2003，24(3):24 -28．

［3］ 孫迎，宋健． 基于Android 的遠程心電檢測系統(tǒng)［J］． 計算機應用與軟件，2013(4):326 -329．

［4］ 祝錫永，陸忠芳． 基于Google 云計算的移動醫(yī)療服務平臺的研究［J］． 成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2013(1):22 -27．

［5］ 毛中亮，史鴻飛，應俊，等． 基于Android 平臺的移動醫(yī)療應用系統(tǒng)［J］． 中國醫(yī)療設備，2013(3):73 -76．

［6］ 陳欣，郭勇，賴武剛． 基于Android 平臺的多生理參數(shù)智能手機監(jiān)護系統(tǒng)的設計［J］． 電子世界，2013(8):122 -124．

［7］ 呂美丹，祝錫永，傅慧，等． 基于GAE 云計算的區(qū)域移動醫(yī)療服務平臺［J］． 計算機系統(tǒng)應用，2013(6):29 -33．

［8］ 季磊，郭旭，施華宇． 移動醫(yī)療終端通訊系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］． 中國醫(yī)療器械雜志，2013(1):37 -39．