基于二維碼的穿戴式健康監護系統

康燁 仝志民 孫浩楠 趙乃辰

摘? ?要：可穿戴式醫療檢測設備近年來悄然興起，該領域已經成為醫療領域研究的熱點。新興技術與智能可穿戴技術的不斷融合大大促使智能可穿戴醫療設備的更新。本文設計了基于二維碼的穿戴式健康監護系統，該系統通過數據采集模塊對人體的溫度、心率等數據進行采集，利用Arduino作為微控制器對采集到的數據進行處理并以二維碼的形式展示在顯示器上，通過手機客戶端的微信小程序掃描二維碼可以將數據存儲到數據庫，便于個體對于數據的查看。引進二維碼技術，有效的解決了當前市場上已有設備存在的信息安全問題，也增加了用戶體驗的趣味性。

關鍵詞：二維碼? 穿戴式健康監護? Arduino? 微信小程序? 信息安全

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）03（a）-0154-02

可穿戴式醫療監測設備近年來悄然興起，原因在于人們的健康觀念和生活方式發生了變化，人們對自身及家人的健康日益關注，尤其是在我國年齡結構日益步入老齡化的階段，實時監測老年人健康狀況已經成為當今乃至今后很長時間內的迫切任務。黃衍標[2]設計了基于智能手表的跌倒監護系統，通過三軸加速器、三軸陀螺儀等檢測被監護人腕部姿勢，再利用BLE通過手機上傳至云端，同時利用GSM向監護人進行遠程跌倒報警求救;朱海洋[3]設計了一種低功耗心率測量智能穿戴設備，該設備以STC15W401AS單片機為控制核心，采用NJL5303集成收發光電傳感器采樣脈搏信號，經過二階帶通濾波放大處理后由微控制器處理得到心率值，通過藍牙無線信號將結果發送到手機APP軟件。上述幾種設計雖然能夠有效檢測人體的健康狀況，但是對于被檢測人的信息安全并沒有做出考慮。

作為穿戴式健康監測設備和云數據庫平臺的數據傳輸的紐帶，本設計采用二維碼這一新型的數據傳輸手段，一方面具有對數據的保密功能，另一方面可以節省利用其它傳輸手段比如無線模塊或藍牙模塊帶來的硬件設備增加，這對于穿戴式設備是非常有意義的。傳輸至云服務平臺的數據可以進行存儲、積累、分析，從而使人體健康的監測納入大數據云計算平臺之上，以便于對健康指數的辨識、預測以及預警。

1? 系統總體結構

基于二維碼的健康監護系統總體上可以分為硬件和軟件兩部分設計。本系統利用Arduino作為微控制器，由MAX30102心率采集傳感器和MAX30205體溫檢測傳感器作為數據采集系統，利用OLED屏作為集成數據的二維碼顯示設備，并利用手機微信小程序可以進行實時的掃描二維碼，監測到的數據可以上傳到云端，便于后續的健康分析。

本設備通過上述幾大系統相互作用完成對人體健康的監測。整套系統的設計框圖如圖1所示。

2? 系統硬件設計

系統的硬件部分主要包括健康監測模塊、數據處理模塊、二維碼顯示模塊、電源模塊以及用于查看數據的手機終端。

2.1 數據采集以及處理

2.1.1 MAX30102心率、血氧采集模塊

心率數據采集使用MAX30102模塊，它是一個集成的脈搏血氧儀和心率監測儀生物傳感器模塊，集成了紅外光LED、光電檢測器、光器件以及帶環境光抑制的低噪聲電子電路。該模塊利用光電容積法測量心率，基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成透光率不同來進行脈搏和血氧飽和度測量。血氧飽和度的定義式表示為：

該模塊采用標準I2C接口與Arduino微處理器進行信息傳輸，便于后續對信息的處理，同時它具有體積小，佩戴簡單的特點，可以快速高效的采集數據。

2.1.2 MAX30205體溫檢測模塊

體溫數據采集使用MAX30205體溫檢測模塊，它是一款集成溫度傳感器，可以精確測量溫度，并提供過溫報警/中斷/關斷輸出[4]，該器件使用高分辨率的模數轉換器將溫度測量轉換為數字形式，工作在0°C至+50°C的溫度范圍內，精度為0.1°C。

2.2 數據接收以及顯示

基于二維碼的穿戴式健康監護系統處理后的數據以二維碼陣列的形式表示。二維碼分為堆疊式和矩陣式，本系統采用的是矩陣式QR碼。它是在一個矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進行編碼，在矩陣相應元素位置上，用點的出現表示二進制“1”，點的不出現表示二進制“0”，點的排列組合確定了矩陣式二維碼所代表的意義。

本設計采用OLED屏實現二維碼的展示。OLED屏即有機發光二極管顯示器，構造簡單，自發光不需要背光源，對比度高厚度薄，反應速度快，廣泛應用在商業領域、通訊領域以及消費類電子領域。顯示結果如圖2所示。

2.3 主控模塊

基于二維碼的健康監護系統的主控制器采用Arduino主板，一款便捷靈活的開源電子原型平臺[5]。它擁有多類型數據傳輸接口，便于同傳感器進行信息交互。該平臺擁有專用的Arduino IDE，對于編程者極易掌握，具有足夠的靈活性。同時由于其開源的特點，用戶在開源協議范圍內可以任意修改原始設計以及相應代碼，便于二次開發。

3? 軟件設計

手機客戶端采用微信小程序進行開發。微信小程序就是一種基于微信系統上簡潔輕量的APP，所提供的功能都是最主要的功能[6]。我們采用微信官方給出的開發者工具，完成小程序的API和頁面的開發調式、代碼查看和編輯。基于二維碼的健康監護系統微信小程序包含二維碼掃描以及歷史數據查看功能。

4? 測試結果

我們對系統進行了多次模擬測試，監測數據可以進行實時掃描查看，歷史數據每1min保存一次進行云端上傳，結果表明選用MAX30102模塊和MAX30205模塊可以有效檢測出人體健康數據，同時微信小程序也可以實時掃描得到信息。經過不同環境下的測試，該系統具有較好的穩定性。

5? 結語

基于二維碼的穿戴式健康監護系統可以便捷的實現人對于多項健康指數實時查看的需求，同時二維碼的特點可以有效保證用戶的私人信息安全，也增加了用戶體驗的趣味性。

參考文獻

[1] 張海芳，于志峰.智能穿戴醫療設備的發展[J].醫療裝備， 2017，30（19）：203-204.

[2] 黃衍標，陳華珍，黃鍵鵬，等.基于腕部可穿戴設備的跌倒監護系統設計與實現[J].計算機測量與控制， 2019，27（1）：102-106.

[3] 朱海洋.基于智能穿戴的心率測量系統設計[J].電子技術與軟件工程，2017（15）：108-109.

[4] 烏音嘎.家庭醫療監測系統[D].內蒙古大學，2018.

[5] 耿麗娟，劉青，袁培燕.基于Arduino的智能防盜系統設計[J].計算機技術與發展，2020（4）：1-6.

[6] 胡亞琛.探究微信小程序的開辟與走向[J].現代營銷：經營版，2019（4）：92.