可穿戴醫(yī)學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張恩陽，趙明，劉傳銀，周龍甫,

1.四川長虹電器股份有限公司 技術(shù)中心，四川 綿陽 621000；2.成都軍區(qū)總醫(yī)院 中心實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610083

引言

智能可穿戴設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)前小型醫(yī)療設(shè)備開發(fā)設(shè)計(jì)領(lǐng)域熱點(diǎn)之一[1-5]。智能可穿戴設(shè)備由硬件裝置和智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序兩部分構(gòu)成[1-2,6-8]。兩者之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)采集顯示等[9-10]，為使用者提供實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、可視化的數(shù)據(jù)監(jiān)測[11-12]。

1 研究目標(biāo)

開發(fā)設(shè)計(jì)智能移動(dòng)終端應(yīng)用程序，與項(xiàng)目組所開發(fā)的基于北斗全球定位信息系統(tǒng)的智能可穿戴人體生命體征及環(huán)境信息監(jiān)測裝置協(xié)同工作。該應(yīng)用程序具備以下主要功能：① 通過低功耗藍(lán)牙，實(shí)時(shí)接收監(jiān)測硬件裝置所采集的多傳感器數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)、分析與可視化展示；② 北斗定位與通信能力；③ 通過連接無線電臺(tái)自組內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)語音通話和消息傳輸。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于Xamarin Mono的Android App研發(fā)技術(shù)

Xamarin是由Mono項(xiàng)目演變而來，是一個(gè)跨平臺(tái)開發(fā)框架[13]，開發(fā)人員通過Xamarin Studio或Visual Studio開發(fā)工具，使用C#編程語言，搭配.NET Framework，開發(fā)iOS、Mac、Android 及Windows多平臺(tái)的原生應(yīng)用程序。Xamarin特點(diǎn)包括[14]：① 快速建立原生行動(dòng)裝置應(yīng)用程序；② 程序代碼可共享，具有跨平臺(tái)開發(fā)能力；③ 與Visual Studio整合；④ 效能可與原生模式開發(fā)的應(yīng)用程序媲美。

Xamarin.Android是Xamarin平臺(tái)下負(fù)責(zé)開發(fā)Android應(yīng)用程序的解決方案，它可以在Visual Studio或Xamarin Studio中創(chuàng)建、編譯、調(diào)試和部署Android應(yīng)用程序。Xamarin獨(dú)特的高性能代碼編譯器使開發(fā)者可以方便訪問Android SDK中原生的API，最終快速創(chuàng)建原生的Android應(yīng)用程序。在Xamarin.Android中使用Nuget、Xamarin Component Store也可為開發(fā)者帶來豐富的第三方組件，甚至可以通過創(chuàng)建Java Bindings Library項(xiàng)目來重用一些第三方j(luò)ar包。

2.2 綁定Java庫文件

自Xamarin.Android 4.2版本后Xamarin Mono引入了綁定Java庫（.jar文件）的技術(shù)[15-16]，同時(shí)引入了一種叫做Java Bindings Library Project的新項(xiàng)目模板，這種通過將jar文件轉(zhuǎn)化為dll文件的技術(shù)擴(kuò)展增強(qiáng)了Xamarin Mono的類庫功能。

Adnroid生態(tài)系統(tǒng)下的第三方類庫十分豐富，在Xamarin.Android中有兩種方法來使用這些已有的類庫[15-16]：一種是通過JNI（Java Native Interface）來直接調(diào)用，另外一種就是前面提到的通過創(chuàng)建綁定項(xiàng)目來達(dá)到重用這些類庫的目的。

3 應(yīng)用程序總體設(shè)計(jì)

3.1 功能層次結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)程序分為3個(gè)大的功能區(qū)：北斗功能區(qū)，藍(lán)牙功能區(qū)以及主功能區(qū)。系統(tǒng)功能層次結(jié)構(gòu)，見圖1。北斗功能區(qū)包括了北斗時(shí)間申請(qǐng)模塊、北斗定位申請(qǐng)模塊、北斗用戶機(jī)串口速率申請(qǐng)模塊、北斗IC卡檢測模塊、北斗用戶機(jī)自檢模塊、發(fā)送所有北斗命令模塊。藍(lán)牙功能區(qū)包括了藍(lán)牙管理模塊以及藍(lán)牙連接模塊。主功能區(qū)包括了可穿戴設(shè)備曲線圖展示模塊、北斗短報(bào)文聊天模塊、基于北斗用戶機(jī)的百度地圖定位模塊、北斗用戶機(jī)自檢模塊等。

圖1 系統(tǒng)功能層次結(jié)構(gòu)圖

3.2 程序架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

Android端APP由5個(gè)核心模塊實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)通訊管理器、數(shù)據(jù)處理管理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理器、數(shù)據(jù)可視化管理器、Android系統(tǒng)管理。每一個(gè)核心模塊的職責(zé)劃分明確，并且核心模塊和組件是完全獨(dú)立于底層的傳感器技術(shù)和通信技術(shù)。Android APP的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

4 主要功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 北斗功能區(qū)設(shè)計(jì)

北斗功能區(qū)包括了北斗時(shí)間申請(qǐng)模塊、北斗定位申請(qǐng)模塊、北斗用戶機(jī)串口速率申請(qǐng)模塊、北斗IC卡檢測模塊、北斗用戶機(jī)自檢模塊、北斗用戶機(jī)版本讀取模塊、發(fā)送所有北斗命令模塊，這些模塊的設(shè)計(jì)都遵循了北斗命令申請(qǐng)協(xié)議的定義。流程邏輯，見圖3。

圖3 北斗功能區(qū)流程邏輯圖

在具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)這些模塊功能時(shí)，最核心部分屬于北斗協(xié)議的生成和解析，實(shí)現(xiàn)IBeiDouProtocol北斗協(xié)議接口，并且繼承自BaseBeidouProtocol北斗協(xié)議基類。北斗協(xié)議接口要求所有的北斗申請(qǐng)或解析命令必須強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)自身的數(shù)據(jù)校驗(yàn)和功能，保證了北斗數(shù)據(jù)的正確性。

目前主要局限性在于，由于北斗衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身信號(hào)微弱的原因，如果想正確的運(yùn)行程序必須將北斗用戶機(jī)放置于正南朝向的無遮擋露天區(qū)域下。

4.2 藍(lán)牙功能區(qū)

藍(lán)牙功能區(qū)包括藍(lán)牙連接模塊和藍(lán)牙管理模塊兩大部分。其中藍(lán)牙連接模塊的主要功能是負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)周圍可連接或已配對(duì)的藍(lán)牙設(shè)備；而藍(lán)牙管理模塊的主要功能是接收并解析已連接藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送而來的數(shù)據(jù)，然后將解析后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化展示。流程邏輯，見圖4。

4.2.1 藍(lán)牙連接模塊

如圖4所示，藍(lán)牙的核心類包括了：BluetoothLeService、SampleGattAttributes、BGattCallback以及LoacalBinder，在這些類的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)了低功耗藍(lán)牙的連接以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)群诵墓δ?。在?shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層面的功能時(shí)通過DeviceScanActivity、LeDeviceListAdapter、ViewHolder類 來 實(shí) 現(xiàn)， 其 中DeviceScanActivity和ViewHolder為藍(lán)牙設(shè)備搜索結(jié)果的界面控制器類，LeDeviceListAdapter為藍(lán)牙搜索結(jié)果的數(shù)據(jù)適配器。

圖4 藍(lán)牙功能區(qū)流程邏輯圖

4.2.2 藍(lán)牙管理模塊

藍(lán)牙管理模塊包括了可穿戴設(shè)備通信協(xié)議子模塊、數(shù)據(jù)可視化子模塊和可穿戴設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)列表子模塊?？纱┐髟O(shè)備通信協(xié)議子模塊主要負(fù)責(zé)可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)的解析工作，數(shù)據(jù)可視化子模塊將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化展示，可穿戴設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)列表子模塊為用戶展示所有可用的傳感器名稱及最新數(shù)據(jù)列表。

4.3 可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)可視化子模塊

可穿戴設(shè)備數(shù)據(jù)可視化子模塊主要的功能是對(duì)已解析的藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化曲線圖形展示。

4.4 綁定百度地圖

百度地圖在本項(xiàng)目中用作北斗用戶機(jī)的定位結(jié)果展示，以及北斗用戶機(jī)運(yùn)行路線的展示，以百度地圖JAVA版本SDK庫文件為基礎(chǔ)，在Xamarin mono項(xiàng)目中使用百度SDK進(jìn)行二次開發(fā)。通過創(chuàng)建JAVA庫文件的綁定項(xiàng)目進(jìn)行轉(zhuǎn)化。以下內(nèi)容為詳細(xì)的轉(zhuǎn)化過程：

（1）創(chuàng)建jar的綁定程序集。首先獲取百度地圖的SDK庫文件；然后在Visual Studio主菜單中選擇Mono for Android下的“Java Binding Library”，命名新建項(xiàng)目為“BaiduMapSDK”；把baidumapapi_v2_1_1.jar放到Jars文件夾下，選中jar文件，將“生成操作”屬性設(shè)置為“EmbeddedJar”，生成解決方案。

（2）引用綁定程序集并編譯為dll程序集。選擇Mono for Android下的“Android Application”創(chuàng)建一個(gè)Android項(xiàng)目。在項(xiàng)目列表中選擇第一步創(chuàng)建的“BaiduMapSDK”。把libapp_BaiduMapApplib_v2_1_1.so、libvi_voslib.so這兩個(gè)庫文件放到MapTest項(xiàng)目中，并且把so文件的“生成操作”設(shè)置為“AndroidNativeLibrary”。在MapTest項(xiàng)目中創(chuàng)建一個(gè)libs文件夾，并且在libs文件夾下創(chuàng)建一個(gè)armeabi文件夾，然后把libapp_BaiduMapApplib_v2_1_1.so、libvi_voslib.so放到這個(gè)文件夾下。如果運(yùn)行到armeabi-v7a CPU下，還需要同樣創(chuàng)建一份armeabi-v7a文件夾；同樣如果運(yùn)行在x86CPU下則同樣需要?jiǎng)?chuàng)建x86文件夾。

（3）如果在編譯過程中發(fā)生錯(cuò)誤，修改EnumFields.xml 、EnumMethods.xml或Metadata.xml的文件內(nèi)容。將dll程序集導(dǎo)入項(xiàng)目并設(shè)置權(quán)限：在axml中添加地圖視圖控件BaiduMapView。

4.5 綁定AChartEngine繪圖庫

AChartEngine是為Android應(yīng)用而設(shè)計(jì)的繪圖工具庫?？捎糜诶L制多種圖表。本項(xiàng)目中將 AChartEngine應(yīng)用于收集傳感器數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖或是其他圖形的繪制，以便給決策者更加直觀的數(shù)據(jù)展示。

4.6 程序主要界面

所設(shè)計(jì)應(yīng)用程序主要界面，見圖5。

圖5 應(yīng)用程序主要界面

5 結(jié)束語

移動(dòng)智能終端應(yīng)用程序作為可穿戴移動(dòng)監(jiān)測裝備的重要組成部分，已經(jīng)成為國內(nèi)外應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。各種移動(dòng)智能APP應(yīng)用軟件切實(shí)將可穿戴智能裝備推進(jìn)應(yīng)用市場。

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠生成和解析北斗協(xié)議，實(shí)現(xiàn)IBeiDouProtocol北斗協(xié)議接口。為進(jìn)一步將我國自主研發(fā)的北斗全球定位系統(tǒng)應(yīng)用于可穿戴設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)行了有益地嘗試。所設(shè)計(jì)的應(yīng)用軟件集Wi-Fi通訊技術(shù)、北斗短報(bào)文通訊技術(shù)、藍(lán)牙通訊技術(shù)以及串口通訊技術(shù)于一身，滿足不同通信場景中與醫(yī)學(xué)監(jiān)測硬件系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求。整套系統(tǒng)能夠有效提高特殊環(huán)境下醫(yī)療衛(wèi)生保障水平，能夠?yàn)橄嚓P(guān)部門決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不足之處在于目前僅可用于北斗用戶機(jī)能夠接收到信號(hào)區(qū)域，距離廣泛市場應(yīng)用尚有一定距離。

可穿戴式智能設(shè)備為醫(yī)學(xué)監(jiān)測、遙測提供了新的工具。隨著傳感器、衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)軟件等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，必然會(huì)為小型化、家庭化便攜醫(yī)療設(shè)備研發(fā)增添新內(nèi)容。作為具有完全自主產(chǎn)權(quán)的北斗全球定位系統(tǒng)，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)進(jìn)一步值得探索、研究。

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