基于二维码的穿戴式健康监护系统
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摘 要：可穿戴式医疗检测设备近年来悄然兴起，该领域已经成为医疗领域研究的热点。新兴技术与智能可穿戴技术的不断融合大大促使智能可穿戴医疗设备的更新。本文设计了基于二维码的穿戴式健康监护系统，该系统通过数据采集模块对人体的温度、心率等数据进行采集，利用Arduino作为微控制器对采集到的数据进行处理并以二维码的形式展示在显示器上，通过手机客户端的微信小程序扫描二维码可以将数据存储到数据库，便于个体对于数据的查看。引进二维码技术，有效的解决了当前市场上已有设备存在的信息安全问题，也增加了用户体验的趣味性。
关键词：二维码 穿戴式健康监护 Arduino 微信小程序 信息安全
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（a）-0154-02
可穿戴式医疗监测设备近年来悄然兴起，原因在于人们的健康观念和生活方式发生了变化，人们对自身及家人的健康日益关注，尤其是在我国年龄结构日益步入老龄化的阶段，实时监测老年人健康状况已经成为当今乃至今后很长时间内的迫切任务。黄衍标[2]设计了基于智能手表的跌倒监护系统，通过三轴加速器、三轴陀螺仪等检测被监护人腕部姿势，再利用BLE通过手机上传至云端，同时利用GSM向监护人进行远程跌倒报警求救;朱海洋[3]设计了一种低功耗心率测量智能穿戴设备，该设备以STC15W401AS单片机为控制核心，采用NJL5303集成收发光电传感器采样脉搏信号，经过二阶带通滤波放大处理后由微控制器处理得到心率值，通过蓝牙无线信号将结果发送到手机APP软件。上述几种设计虽然能够有效检测人体的健康状况，但是对于被检测人的信息安全并没有做出考虑。
作为穿戴式健康监测设备和云数据库平台的数据传输的纽带，本设计采用二维码这一新型的数据传输手段，一方面具有对数据的保密功能，另一方面可以节省利用其它传输手段比如无线模块或蓝牙模块带来的硬件设备增加，这对于穿戴式设备是非常有意义的。传输至云服务平台的数据可以进行存储、积累、分析，从而使人体健康的监测纳入大数据云计算平台之上，以便于对健康指数的辨识、预测以及预警。
1 系统总体结构
基于二维码的健康监护系统总体上可以分为硬件和软件两部分设计。本系统利用Arduino作为微控制器，由MAX30102心率采集传感器和MAX30205体温检测传感器作为数据采集系统，利用OLED屏作为集成数据的二维码显示设备，并利用手机微信小程序可以进行实时的扫描二维码，监测到的数据可以上传到云端，便于后续的健康分析。
本设备通过上述几大系统相互作用完成对人体健康的监测。整套系统的设计框图如图1所示。
2 系统硬件设计
系统的硬件部分主要包括健康监测模块、数据处理模块、二维码显示模块、电源模块以及用于查看数据的手机终端。
2.1 数据采集以及处理
2.1.1 MAX30102心率、血氧采集模块
心率数据采集使用MAX30102模块，它是一个集成的脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器模块，集成了红外光LED、光电检测器、光器件以及带环境光抑制的低噪声电子电路。该模块利用光电容积法测量心率，基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成透光率不同来进行脉搏和血氧饱和度测量。血氧饱和度的定义式表示为：
该模块采用标准I2C接口与Arduino微处理器进行信息传输，便于后续对信息的处理，同时它具有体积小，佩戴简单的特点，可以快速高效的采集数据。
2.1.2 MAX30205体温检测模块
体温数据采集使用MAX30205体温检测模块，它是一款集成温度传感器，可以精确测量温度，并提供过温报警/中断/关断输出[4]，该器件使用高分辨率的模数转换器将温度测量转换为数字形式，工作在0°C至+50°C的温度范围内，精度为0.1°C。
2.2 数据接收以及显示
基于二维码的穿戴式健康监护系统处理后的数据以二维码阵列的形式表示。二维码分为堆叠式和矩阵式，本系统采用的是矩阵式QR码。它是在一个矩形空间通过黑、白像素在矩阵中的不同分布进行编码，在矩阵相应元素位置上，用点的出现表示二进制“1”，点的不出现表示二进制“0”，点的排列组合确定了矩阵式二维码所代表的意义。
本设计采用OLED屏实现二维码的展示。OLED屏即有机发光二极管显示器，构造简单，自发光不需要背光源，对比度高厚度薄，反应速度快，广泛应用在商业领域、通讯领域以及消費类电子领域。显示结果如图2所示。
2.3 主控模块
基于二维码的健康监护系统的主控制器采用Arduino主板，一款便捷灵活的开源电子原型平台[5]。它拥有多类型数据传输接口，便于同传感器进行信息交互。该平台拥有专用的Arduino IDE，对于编程者极易掌握，具有足够的灵活性。同时由于其开源的特点，用户在开源协议范围内可以任意修改原始设计以及相应代码，便于二次开发。
3 软件设计
手机客户端采用微信小程序进行开发。微信小程序就是一种基于微信系统上简洁轻量的APP，所提供的功能都是最主要的功能[6]。我们采用微信官方给出的开发者工具，完成小程序的API和页面的开发调式、代码查看和编辑。基于二维码的健康监护系统微信小程序包含二维码扫描以及历史数据查看功能。
4 测试结果
我们对系统进行了多次模拟测试，监测数据可以进行实时扫描查看，历史数据每1min保存一次进行云端上传，结果表明选用MAX30102模块和MAX30205模块可以有效检测出人体健康数据，同时微信小程序也可以实时扫描得到信息。经过不同环境下的测试，该系统具有较好的稳定性。
5 结语
基于二维码的穿戴式健康监护系统可以便捷的实现人对于多项健康指数实时查看的需求，同时二维码的特点可以有效保证用户的私人信息安全，也增加了用户体验的趣味性。
参考文献
[1] 张海芳，于志峰.智能穿戴医疗设备的发展[J].医疗装备， 2017，30（19）：203-204.
[2] 黄衍标，陈华珍，黄键鹏，等.基于腕部可穿戴设备的跌倒监护系统设计与实现[J].计算机测量与控制， 2019，27（1）：102-106.
[3] 朱海洋.基于智能穿戴的心率测量系统设计[J].电子技术与软件工程，2017（15）：108-109.
[4] 乌音嘎.家庭医疗监测系统[D].内蒙古大学，2018.
[5] 耿丽娟，刘青，袁培燕.基于Arduino的智能防盗系统设计[J].计算机技术与发展，2020（4）：1-6.
[6] 胡亚琛.探究微信小程序的开辟与走向[J].现代营销：经营版，2019（4）：92.
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