嵌入式健康數據采集系統設計與實現

周天祥 姚富光 王運運

摘要：根據人們對日常生活中體質健康測試和檢查的重視程度越來越高的實際需求，設計了一套基于樹莓派的便捷式健康數據采集系統。系統應用了C/C++編程語言、藍牙串口通信技術、MySQL數據庫技術、I2C總線通信技術、傳感器等技術作為支持，完成了上位機的設計、硬件電路的搭建、數據庫的搭建，實現了健康數據的采集、查詢、展示與存儲功能。經測試，該系統滿足日常采集體溫和心率等基本數據的要求。

關鍵詞：健康數據采集;Qt;樹莓派;藍牙;數據庫

中圖分類號：TP36 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）25-0013-02

Abstract： According to the actual demand that people pay more and more attention to the physical health test and inspection in daily life， a convenient health data collection system based on Raspberry Pi is designed. The system uses C/C++ programming language， Bluetooth serial communication technology， MySQL database technology， I2C bus communication technology， sensors and other technologies as support， completed the design of the host computer， the construction of the hardware circuit， the construction of the database， and realized the health data Collection， query， display and storage functions. After testing， the system meets the requirements for the daily collection of basic data such as body temperature and heart rate.

Key words： health data collection; Qt; Raspberry Pi; Bluetooth; database

1 背景

隨著人們生活水平和生活質量的不斷提高和改善，健康這個話題已成為現代生活中的一個重要話題，并且人們生活中的體質健康測試和檢查已經成為一種自覺行為，但目前市場上的體質健康測試和檢查的設備或終端對于服務家庭而言都具有一定的局限性，主要是由于市場上的體質健康測試、檢查設備和終端都趨于大型化、固定化，缺乏移動的便捷性。而且在數據信息的搜集上也具有局限性，目前大多數的體測和體檢仍然沿用傳統的人工手寫記錄，效率低且數據不易存儲，出錯率高。

2 健康數據采集系統總體設計

在整體系統的框架設計上采用了底層數據采集模塊、上位機界面顯示模塊、后臺數據庫模塊組成的三層結構。整個健康數據采集系統從硬件端到上位機端、從上位機到把數據保存到數據庫中的數據傳輸機制，利用了 I2C 協議及藍牙透傳，在整個系統中可實現了體溫數據、心率等人體健康數據的采集、傳輸、展示和存儲等功能。系統功能流程圖如圖1所示。

2.1 底層數據采集模塊

如圖2所示，底層硬件模塊目前包含MAX30205MAT體溫模塊、MAX30102心率模塊、HC-05藍牙傳輸模塊。系統通過上述體溫和心率采集模塊將數據采集到，并通過MCU根據I2C總線協議[1]來將數據的傳輸到藍牙發送模塊，再通過藍牙發送模塊，將數據傳輸給樹莓派上位機載體，再由載體上的藍牙接收模塊接收數據后，將數據實時的顯示到上位機UI界面上[2]。目前主要采集人體體溫數據和心率數據，后期也可根據需求在MCU上進行相應的增加其他健康數據采集模塊[3]。

2.2 藍牙通信設計

下位機上傳數據到上位機需要利用藍牙進行傳輸，此藍牙傳輸數據方式為透傳，使用的是藍牙的標準協議進行數據傳輸，在樹莓派進行開機時通過LX終端輸入藍牙連接命令將兩個藍牙設備進行連接，所以無須再自己進行藍牙協議的編寫。數據傳輸到樹莓派后，保存在樹莓派藍牙文件中，上位機只需通過讀取文件中的數據來將其顯示到界面上即可。

2.3 上位機界面顯示模塊

本健康數據采集系統界面利用Qt Creator軟件跨平臺開發，采用C++編程語言進行編寫[4]，實現了讀取樹莓派藍牙數據的上傳展示，并通過MySQL數據庫對信息進行實時存儲。上位機中體溫和脈搏均采用了觸發式的采集方式，這樣避免了受外界環境的影響，采集人體體溫時類似水銀溫度計一樣有一個采集過程才能使體溫數據趨于平穩。 采集體溫數據時，溫度在設定范圍內方可觸發傳感器模塊進行數據采集，否則均不可觸發傳感器模塊進行溫度采集。心率模塊則是自主地進行觸發，當模塊檢測到有心率信號就會觸發模塊采集心率數據。界面模塊設計如圖3所示。

界面模塊包括開始界面、體溫數據顯示按鈕、心率數據顯示按鈕、系統實時時間顯示和退出按鈕。均是通過Qt Creator中Qlabel進行顯示，可以利用繼承調用相同的類來進行編寫，這樣也為后期增減顯示模塊提供了方便。數據的采集均是通過觸發的方式進行，大大降低了操作的難度。

3 后臺數據庫的模塊

此系統中將采集到的信息進行處理后保存至服務器的MySQL數據庫中。通過C++代碼已經在上位機程序中設置好數據庫的相關參數，只需在樹莓派中安裝MySQL數據庫[5]，然后根據代碼中的相關參數建立相應的數據庫即可。數據庫中總共包含系統時間、體溫數據、心率數據三個字段，采集到的數據將實時插入到數據庫中進行保存[6-7]。數據庫管理軟件為我們和物理數據庫之間提供了一個橋梁，開發人員不必了解物理數據庫中的構造，而直接使用數據庫管理軟件就可以實現數據的存儲和增刪改查[8]。

數據庫結構和內容如圖4所示。

4 測試與結果

該系統的測試主要通過底層采集數據部分和上位機軟件能否正常地進行工作，采集到的數據能夠正確完整地存儲到本地 MySQL 數據庫中，并且能夠在數據庫中。將文件導出。經測試，體溫數據與傳統的溫度計相比較：都會有一個逐漸上升的過程才能達到穩定。傳感器比傳統溫度計測量體溫達到穩定的時間更短。由于傳感器時電子元件，受環境溫度的影響，在不同環境下對準確率也有所影響。心率數據由于模塊采用的是紅外光進行測試，在不封閉的環境下，環境中的自然光會對其準確率有所影響。所以，該系統所采集的健康數據信息，對于日常生活健康檢測而言，有一定的參考價值，但不能完全用于醫學使用。

5 結束語

本文設計了一套基于樹莓派的嵌入式健康數據采集系統，包含數據采集的下位機和數據傳輸管理的上位機。系統設計的重點在下位機的數據采集上，下位機采用自動觸發式進行采集，利用藍牙協議可實時將健康數據傳輸到上位機顯示和后臺數據庫中。上位機上使用C++語言采用了多線程編程，保證了數據的實時有效性。

參考文獻：

[1] 知乎. I2C協議[EB/OL].[2019-12-20].https：//zhuanlan.zhihu.com/p/26579936.

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[4] 曾繁貳， 鐘清華， 張靜萌， 等. 移動健康監護系統[J]. 微計算機信息， 2011， 27（7）： 149-151.

[5] 陸偉， 郭陽明. 數據庫系統：設計與應用[M]. 西安： 西北工業大學出版社， 2010： 4.

[6] 陳巖. 基于樹莓派的溫度采集存儲顯示系統[D]. 中國知網， 2015（6）： 1.

[7] 雷星月. 移動個人健康系統的設計與實現[D]. 廈門： 廈門大學， 2015.

[8] 宋志揚. 基于樹莓派的溫室大棚監控系統設計[J]. 電腦知識與技術， 2019， 15（6）： 205-206.

【通聯編輯：謝媛媛】