基于Android的移动智能关爱系统的设计与实现

分分 类类 号号 学号学号 M201071756 学校代码学校代码 1 0 4 8 7 密级密级 硕士学位论文 基于基于 Android的移动智能关爱系统的设的移动智能关爱系统的设 计与实现计与实现 学位申请人 ： 高 凤 学 科 专 业 ： 电子与通信工程 指 导 教 师 ： 汪小燕 教授 答 辩 日 期 ： 2012 年 5 月 25 日 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Design and Implementation of Mobile Intelligent Care System Based on Android Candidate：GaoFeng Major ： Electronics Wireless WiFi; the Android platform; remote monitoring; alarm mechanism IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目目 录录 摘要 . I Abstrat . II 1 绪论 1.1 引言 . (1) 1.2 发展概况及国内外相关研究 . (2) 1.3 课题内容安排 . (4) 2 移动智能关爱系统的设计方案 2.1 移动智能关爱系统的基础架构和解决方案 . (5) 2.2 总体结构与功能设计 . (8) 2.3 移动智能关爱系统的关键技术 . (11) 2.4 本章小节 . (14) 3 服务器软件的设计与实现 3.1 Android 服务器软件结构设计 . (15) 3.2 Web 服务器软件结构设计 . (18) 3.3 服务器端数据库设计 . (19) 3.3 本章小结 . (21) 4 基于 Android 的移动终端软件的设计与实现 4.1 联系人功能的设计与实现 . (22) V 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.2 文件管理功能的设计与实现 . (26) 4.3 功能导航的设计与实现 . (28) 4.4 本章小结 . (39) 5 性能分析与评价 5.1 数据传输性能 . (40) 5.2 报警性能分析 . (43) 5.3 本章小结 . (44) 6 总结与展望 . (45) 致谢 . (46) 参考文献 . (47) 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论绪论 1.1 引言引言 医疗保健已日益成为一个全球性的现象，受到医务人群和病人群体的普遍关注 1。 实现人们享有最高的身体和心理健康标准是人们的基本权利，它需要求人们能公 平地获得有效的医疗保健服务2。 为了加强特别是低收入和中等收入国家的医疗卫生 系统， 世界卫生组织宏观经济和卫生委员会呼吁加大医疗保健的投入3。随着人类社 会的发展，医疗卫生系统不再仅限于病痛的治疗，更包含了改善健康的辅助医疗、 非医疗的保健服务以及疾病传播控制等服务内容4。老年人群、残疾人群体、慢性病 患者（心脑血管疾病、糖尿病、慢性气管炎、肺气肿等）等的医疗保健问题尤为受 到社会关注，也是社会各界所面临的一大难题5。 世界卫生组织在报告防治慢性病是一项极其重要的投资中指出目前全球慢性 病每年造成约 1700 万人早逝，是人类的主要杀手，心脏病、心血管病、癌症和糖尿 病为主要致死原因；在发展中国家，慢性病死亡人数占全部死亡人数的 806。研 究报告7指出：中国已于 1999 年进入老龄社会，到 2020 年，老龄化水平将达到 17.17%，此时老年人口将达到 2.48 亿， ；2030 年到 2050 年这段时期，中国人口老龄 化最严峻，彼时老年人口总量将逾 4 亿，老龄化比例上升到 30%以上。针对老年人、 残疾人和慢性病患者等群体，以往诸如医院和专门的康复中心的方式不仅资源受限， 而且成本费用高昂。普通家庭很难享受到这样的服务。因此，研究给病患特别是中 低收入家庭提供低成本、更方便的、更有效的关爱和护理，对提升医疗保健服务的 整体水平以及改善人们的生活质量都有重大的意义。 信息和通信技术的发展，使得远程医疗和基于家庭的关爱系统服务变得可行8。 这不仅可以大大降低关爱保健的成本，而且可以提供更方便、更全面、更高效的医 疗服务，改善人们的生活质量9-12。早期，Lee 等人首次提出用有线电视（CATV） 网络将心电图（ECG）数据传送到医疗中心，以及支持医疗保健提供者和病人之间 的视频对话功能13。随着互联网快速发展和流行，从而使之成为提供远程医疗的监 控和数据传输的新承载网络14。移动医疗系统由于可以随时随地通过各种设备和普 适计算提供或者享受电子保健应用和在线医疗服务，从一提出就受到广泛关注15。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 普适计算、移动互联网、生物医学传感器等新技术的出现使移动智能关爱应用成为 可能，并已成为交叉学科应用的研究热点16。 在此背景下， 本文以移动互联网、 智能终端、 云计算、 智能传感器等技术为支撑， 以高龄人群、慢性病患者等弱势群体的医疗保健应用为目标，提出并构建了一个多 服务功能的、以家庭网关和智能终端为基础的医疗保健机构与弱势群体家庭协同的 移动智能关爱平台，以低成本、高效率的方式协助家属或专业医护人员对残疾人、 老年人、手术后恢复期的病人和慢性病患者等弱势群体的医疗监护和关爱。 1.2 发展概况及国内外相关研发展概况及国内外相关研究究 1.2.1 移动智能关爱系统的发展概况移动智能关爱系统的发展概况 1993 年，普适计算之父 Mark Weiser 提出了普适计算的思想，他认为，最高深 的技术就是技术本身消失，并把它们自己融合到日常生活中而不被用户所见17。这 种普适计算和隐藏技术本身的思想，为网络影响、融入和改变人类的生活奠定了理 论基础，使信息技术和网络技术在近几十年里得到快速发展并成为人类生活中必不 可少的一部分。佐治亚州立大学的 Upkar Varshney 教授 2003 年首次将网络和医疗保 健服务联系起来提出了普适关爱的构想18，提供了低成本、高效率的方式解决医疗 服务中慢性病患者或老年人等弱势群体关爱问题，开启了移动互联网、智能终端、 云计算、智能传感器等信息与通信技术的医疗保健应用技术研究。 随着 3G、WLAN、Wi-Max、Wi-Fi 等无线接入技术的提出与应用，以及智能手 机、平板电脑等智能移动终端的普及，移动互联网得到快速发展19。移动互联网， 通过移动设备无线接入访问互联网数字化内容，无论从用户群还是技术都拥有非常 明显的优势20。无线网络的泛在覆盖和智能移动终端的强大处理能力，使被关爱人 员和提供关爱人员都可以不再受时间和空间的限制。将基于移动智能终端的移动互 联网概念引入到关爱系统成为了普适关爱的研究趋势。 电子技术的发展， 使传感器技术在生物医疗应用方面取得巨大的突破21。 小型化 的泛在健康监测已成为切实可行的，不显眼、可穿戴式传感器使大量的人类生理信 息数据可被自动收集，降低了保健的成本和免去了定期探访医护人员的麻烦。身体 传感器网络（Body Sensor Networks，BSN）应运而生，凭借其低功耗、灵活和紧凑 的设计，结合上下文感知传感，提高灵敏度和特异性22。 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 关爱系统的设计思想是，将以医生为中心的传统模式转变为以病人为中心的模 式，并且应用场景也将扩展到医院之外，但是被关爱人员产生的生理医疗数据将是 巨大的，基于这些信息的智能处理和分析将需要大量的计算资源。由于具备巨大的 计算能力和便捷的计算接入接口等优势，将云计算技术纳入到关爱系统的设计成为 新的研究方向23。 1.2.2 国内外相关研究国内外相关研究 针对慢性病患者或老年人等群体的关爱系统从提出开始就受到广大的关注， 吸引 了国内外众多研究机构、学者以及大型公司开展关爱系统的研究和应用的探索工作。 在 2007 年，位于丹麦的奥斯胡大学工程学院成立了一个跨学科研究中心，专门研究 普适关爱系统，致力于设计、开发、推广普适计算技术在老年人和慢性病患者等群 体的新型健康关爱技术和应用24。针对医疗关爱的国际会议或工作小组纷纷召开或 成立。如第六届对于医疗关爱的普适计算技术的国际会议将于 2012 年 5 月在美国加 利福利亚州举行，普适关爱系统和技术的国际会议（ICPHST 2012）将于 2012 年 10 月瑞士卢塞恩举行。公司如美国电子设备生产商 ADI25、英国的 Toumaz 公司26等， 纷纷成立了数字医疗保健中心部门开发和推广开放的、低成本的、个人化的病人监 护系统。 韩国Young-Dong Leea27等人发明了基于无线传感器网络的普适关爱和生活监测 的可穿戴超级衬衫，实现了将测量的心电和加速度信号实时持续通过无线网络传入 到互联网的服务器。英国 Benny P.L. Lo22等人设计提出了一个身体传感网络，凭借 其低功耗、灵活和紧凑的 BSN 节点设计，为普适关爱研究和应用提供了一个通用的 平台。美国佐治亚理工学院 Charles Kemp 教授28等人研发出居家医用的可智能看护 的机器人，可拿取药瓶、移动电话和电视遥控器等小物件以及完成开关门的行为， 另外，它还能够与病人进行语音交流，给病人提供情感支持以及生活帮助。中国台 湾 Jun-Teng Hsu29等人设计了一个基于云计算的泛在移动的个人关爱系统，致力于 用户能够自我管理预防疾病。 目前中国大陆在关爱系统的研究还处于早期的探索和研究中。 在医用传感器方面 的研究较为突出，催生出现了一批企业，如上海贝瑞电子有限公司、深圳迈瑞医疗 有限公司等。 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.3 课题内容安排课题内容安排 基于 Android 的移动智能关爱系统不同于以往的移动监护终端，它不依赖于特定 的时间和地点，通过在医护人员和远端亲属以及病患之间提供远程监控，或远程视 频通话等功能，对被关爱人员在医疗场所和家庭或者在移动中，提供无处不在的医 疗关爱。 基于以上需求，本文致力于建立一个多服务功能的、以家庭网关和智能终端为基 础的医疗保健机构与弱势群体家庭协同的移动智能关爱系统，家庭网关即由通过无 线局域网对被关爱人群进行实时或非实时的远程监控，对医护人员和远端的亲属提 供远程的实时视音频交互，并通过 GPS 全球卫星定位系统随时随地向医护人员和远 端亲属提供病患的地理位置信息等功能。主要任务包括实现 android 终端的软件设计 和 Web 服务器端、手机端服务器的设计。Web 服务器端、手机端服务器部分实现登 录和注册功能，存储用户注册信息，生理参数信息，接收 Android 手机用户的连接请 求，并向其返回相应的生理参数信息，在生理参数信息异常时触发报警机制反馈报 警信息给 Android 手机用户。Android 终端的软件设计包括客户端主界面结构设计， 及功能模块设计。功能模块中主要涉及到 Android 终端与 PC 端的无线通信，相互之 间传送视频帧数据，Android 终端与 Android 终端之间的无线通信，相互之间传送视 音频信号，通过 GPS 获取用户地理位置信息并将其上载到 Web 服务器。 全文各章节安排如下： 第一章绪论部分主要介绍移动智能关爱系统的发展概况和国内外相关研究； 第二章为系统的设计方案，介绍了系统的基础架构和解决方案，给出了总体结构 和功能的设计，并对几种关键技术进行了介绍； 第三章为系统服务器平台上软件的设计，提出了完整的结构和解决方案； 第四章为系统移动智能终端上软件的设计，主要包括 SQLlite 数据库设计， Android 终端无线通信设计，Android 终端和 Web 服务器端无线通信设计，用户地理 位置信息的共享流程； 第五章是对系统的性能分析与评价； 第六章为全文总结与展望。 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 移动智能关爱系统的移动智能关爱系统的设计设计方案方案 2.1 移动智能关爱系统移动智能关爱系统的基础架构和解决方案的基础架构和解决方案 医疗关爱的应用可以分为以下几类：预防，关爱维持与检测、短期监控（如适用 于家庭的医疗监控），长期监控（如适用于疗养院等公共场合的医疗监控），个人 医疗监控管理系统，发病率的检测和管理，紧急干预，病患的运送及治疗30。 传统的医疗关爱系统中，病患的活动范围仅限于房间或家庭的一个狭小的空间， 尤其是需要时刻与庞大而笨重的医疗器械相连才能采集到最新的生理参数信息，即 使系统休眠而不需要采集时，病患的活动范围也十分有限。移动中的专管医生或亲 属难以对远端的病患实行医疗关爱，相较于手持智能终端，传统的用于诊疗或医疗 关爱的 PC 机显得笨重许多。相对于传统的医疗关爱系统，移动智能关爱系统则体现 了其移动性和便携性。可穿戴式的生理参数信息采集模块被绑定到病人的大衣内或 者皮肤表面，与手持智能设备、远程计算中心通过无线网络互联，在这样的无线模 式下，病患可以随意走动31，帮助其进行康复锻炼，有益身心。同时，医护人员、 远程亲属也可在无线网络的覆盖下，使用智能终端访问远程计算中心获取病患历史 医疗信息，同时实时监测病患活动状态。这一点，对医疗关爱系统的移动性和便携 性提出了要求。移动智能关爱系统正是为迎合这样的需求而设计出来。 移动智能关爱系统的应用32包括普适远程医疗协助、 普适健康关爱监测、 普适医 疗数据访问、智能报警管理系统、语音视频多方会议、多媒体通信等。图 2.1 所示的 是一个移动智能关爱系统的应用场景，它整合了目前新兴的无线技术、云计算、智 能设备、移动终端33等先进技术。这些技术可以支持广泛的关爱服务和医疗应用， 包括健康参数管理信息系统、移动远程医疗监控、基于地理位置信息的服务、个性 化的定制服务、语音视频会议、智能报警管理系统、移动关爱激励管理。以下分别 是各项服务在本系统中的应用。 1) 移动远程医疗监控 随着全球范围内老龄化人口的增多，随之而来的身体上或认知上的障碍也在增 多34，很多老年人和退休人员正在经历多种形式的健康问题，慢性疾病、高血压、 心脏病。使用无线技术，可以提高被关爱人员在城市和农村的整体服务质量，减少 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 对医疗保健机构的压力，保证被关爱人员的生活质量，并降低长期以来的医疗服务 的成本。 通过无线网络在家庭范围或医疗机构的部署，在任何时间任何地点亲属、医疗 服务提供者通过手持设备可以实时获取被关爱人员当前的健康状况信息。通过调用 远程摄像头，医疗保健机构的工作人员查看其他城市或偏远地区被关爱人员当前的 活动场景，从而给进一步的医疗服务提供可靠的依据。在医疗机构人员短缺、医疗 服务资源有限的情况下，亲属在外出差或短期离开被关爱人员的过程中，通过无线 网络使用智能手持设备查看实时传送过来的视频影像，协助医生看护被关爱人员从 而实现无缝关爱。 图 2.1 移动智能关爱系统应用场景 2) 健康参数管理信息系统 随时随地访问医疗信息，就是允许被关爱人员或医疗服务提供者通过无线网络 在任何时间任何地点使用智能终端或其他手持设备访问病患的医疗参数信息。对于 医疗服务提供者来说，随时随地地访问现在的或历史的医疗信息可以减少医疗差错 的数量35。医疗信息的动态管理管理系统可以允许病患限制谁可以访问他的生理参 数信息或诊疗信息，并且可以设置访问的时间长度。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 另一方面，这种移动医疗数据中心，可以支持大型数量的医疗数据的存储，这 些数据对于移动医疗决策者是可用的，用来制定医疗决策。同时，对于医疗关爱的 研究者来说，通过研究某一种疾病的数据集合，可以促进医疗诊治事业的发展。 3) 移动位置服务 基于地理位置的信息反馈，应用在很广泛的场合。运用红外、RFID、蓝牙等36 室内定位技术可以精准地在被关爱人员有限的活动范围内进行监控。一旦被关爱人 员离开被监测区域，用户定位装置将会追踪被关爱人员地理位置信息。借助于网络 和全球辅助卫星定位系统 A-GPS，智能设备可以在室外适当的条件下，比较准确地 捕获被关爱人员的地理位置信息，从而伤员或病患能够得到有效的救治。 不仅医疗服务提供者根据基于位置的服务，可以动态监测所有病患的活动地点， 便于规划病患的诊疗计划及安排，而且对于病患来说，基于位置的服务可以帮助其 迅速找到附近的医疗资源和医疗场所，在紧急情况发生时尤为必要。 4) 语音视频会议 传统的诊疗及保健方式以医生为中心，医院及诊疗机构为医疗场地，提供一对 多的医疗关爱服务。随着计算机处理能力、软件技术、无线网络和智能终端硬件处 理能力的发展，医护人员、病患及在远方的亲属可通过无线网络开展多方视频会议 37，方便而又直观。在病患没有必要住院但交通不便的情况下给多方提供了方便， 降低了医疗服务的成本，节约时间，提高了医疗效率。 紧急事件发生后，病患在被送往医院的过程中，医护人员之间通过语音视频会 议可以商讨诊疗方案，从而减小医疗差错的发生。语音视频通话中的医护人员可以 给病患指导性的诊疗或保健的意见以及注意事项，病患可以通过医护人员的叮嘱调 整自己的康复计划及生活习惯。在必要时，远程亲属通过智能设备与病患进行视音 频通话，可以及时进行心理干预及情感支持。 5) 移动关爱激励管理 移动关爱激励管理涉及一个小型电子支付系统，用户每次进行体育锻炼后或者 按照健康食谱使用食品后，系统记录下来，作为电子支付系统的虚拟货币38。这种 货币可以用来支付医疗费用或者捐赠给慈善机构。这种激励策略可以有助于提高患 者的锻炼积极性，鼓励患者进行有规律的康复活动，有效降低个人医疗服务的总体 成本。 6) 智能报警管理系统 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 许多心脏疾病的患者死于未及时处理，在危险发生的前几分钟如果得到及时的 救助，将能很大程度上挽救他们的生命。危险发生后，越早得到救助，病患的生命 越能得到保证。智能报警管理系统用于在监测病患过程中突发意外状况时，智能检 测到意外事件的发生并及时上传给急救中心，救护车和医生，为抢救之前的医疗准 备或诊断提供更多宝贵的时间。 智能报警管理系统结合无线技术、移动技术和用户定位，给城市中的医疗保健 机构，移动中的专管医生或者正在赶往抢救现场的救护车提供远程的报警反馈信息。 采用高效的车辆路由39和附近医院的位置信息，指导救护车快速找到可以合理护理 或救助伤者或患者的医疗机构，因此许多人的生命可以得到及时的拯救。 7) 个性化的提醒监督服务 用药错误(ME)和药物不良反应(ADR)是所有医疗差错中最为普遍的事故40。大 多数错误的用药行为都是当病人在多个药店购买了处方和非处方药，并在几乎没有 任何指导的情况下自行服用完成的。通过在智能终端上设计一款小巧方便的用药提 醒和监控的应用，可以提醒病患按时服用正确的药物并做好服药记录。 8) 智能感知的移动设备 现在的移动终端具有强大的计算能力和处理能力，内存、固有存储介质容量的 扩大以及各种传感器的嵌入让其功能变得更加丰富和强大。尤其是传感器的使用， 可以感知本身的运动、周围的温度变化、光的明暗、施加于本身的压力，这些功能 使移动设备具备智能感知的能力，利用加速度传感器可以设计出监测跌倒情况的应 用，磁场传感器可以读取磁场的变化从而可以将移动设备设计成一个可用的指南针， 使用加速度传感器和姿态传感器可以设计计步器41这样实用的功能，还有很多类似 使用压力传感器、温度传感器、光传感器等等的应用 本文的主要工作是基于移动远程医疗监控，语音视频通话，健康参数管理信息 系统，智能报警管理系统四方面的研究与实现。 2.2 总体总体结构结构与功能与功能设计设计 移动智能关爱系统给老年人、 慢性病患者等尚具生活自理能力的人群提供医疗关 爱服务，系统的使用人群定位于病患，亲属和医护人员和相关的医疗保健机构，在 这一系统中， 不在病患身边的亲属可利用 Android 终端通过无线网络来进行远程监控 以观察病患的活动状态，并提供必要的感情支持。在突发紧急状况时，医护人员可 9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 以利用 Android 终端与病患身边的亲属或病患本人进行实时视音频交互， 从而给在远 端的亲属和病患提供第一时间的正确的救助方法。诊断与治疗的正确率对于医疗系 统尤其重要，每年由于误诊或者无法确诊的案例最终都会导致严重的后果，因此， 在必要时，医护工作者可以通过无线网络与其他医护人员进行即时而必要的沟通， 获取有效的诊断和治疗建议。 考虑到以上的应用场景， 因此对 Android 终端与 Andrid 终端之间、Android 终端与网关之间的实时通信提出了高的要求。 图 2.2 移动智能关爱系统体系结构 如图 2.2 所示，该系统由被关爱人员的生理参数采集设备、家庭网关、平台服务 器、关爱人员的移动智能终端以及设备之间的通信链路组成。 生理参数采集设备由被关爱人员直接穿戴或安装在被关爱人员活动范围附近的 生理传感器组成。生理传感器周期性的采集被关爱人员的生理信息，然后更新到被 关爱人员的家庭网关。生理参数种类的不同、被关爱人员的人群和病情不同，生理 传感器的采集数据的周期也将不同。不同的生理传感器，数据更新的方式也可能不 同。如果生理传感器是直接穿戴在被关爱人员的身体上，则采集数据采用无线链路 更新到家庭网关，以不至于影响到被关爱人员的正常活动；如果传感器是固定安装 在被关爱人员活动范围附近的，则采集数据可以使用有线链路更新到家庭网关。 家庭网关设备指被关爱人员家里的代理服务器，具有如下功能：收集存储被关爱 人员的所有生理信息数据、被关爱人员的异常情况的判断与报警、与平台服务器进 行通信。家庭网关及时收集并存储生理传感器发送过来的生理信息数据，并且实时 判断当前的生理状况是否属于异常；当出现异常情况时，产生一条报警信息（包括 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 当前被关爱人员的生理信息和简单的报警信息）并向平台服务器请求发送给提供关 爱的医护人员或者亲属。家庭网关要代表被关爱人员到平台服务器登记注册，并保 持连接的畅通以确保报警信息能够及时发送给医护人员。在此基础之上，家庭网关 还提供生理信息数据的历史记录查询服务。 平台服务器是指搭建在公共网络的服务平台，提供的功能服务包括：被关爱人员 和关爱人员的基本信息（人员账号、地址等）维护，视频通话会话的建立、维持与 断开，人员寻址，病情研究与分析等。这类服务可以由政府或者其他公共服务部分 提供，也可以由专门的公司提供。平台服务建设的覆盖面、健壮性、性能将影响到 整个移动智能关爱系统的建设、运营和发展。 移动智能终端指提供关爱服务的医护人员或者亲属以及被关爱人员使用的智能 终端设备，它可以随时随地连接到互联网。本地、远程的亲属或者医生由移动终端 可随时随地接入到网络按照预设权限观察被监护人员的健康状况、生活情况或直接 与被监护人员进行语音视频交流。同样，社区服务人员和医务人员也可随时随地利 用智能终端对被监护人提供必要的支持。当被监护人出现异常情况时，在本地或者 远程的医护人员或者亲属的移动终端，将接收来自家庭网关的报警事件提示以及突 发事件的报告，及时掌握被监护人的突发状况信息，从而采取有效措施来避免因耽 误最佳抢救时间而造成的严重后果。同时，在一般情况下，亲属、医务人员可根据 预设权限由手机通过无线局域网来连接被监护人员所在地的监控摄像头，实现移动 终端远程实时监控被监护人员的健康状况或生活情况，同时，在有必要的情况下， 可以对所监控的情况进行录像并存储，为后来的治疗提供有价值的参考。 在介绍了系统的总体结构设计后， 下面主要描述移动智能关爱系统的功能设计方 案。如图 2.3 所示，移动智能关爱系统通过底层的基本功能模块实现向被关爱人员与 医务人员等关爱人员提供四大基本服务：由联系人信息管理与服务记录管理等功能 组成的基本信息管理服务；由生理参数浏览与监控录像浏览等文件查看功能组成的 健康信息查询服务；由远程监控与视频通话功能实现的健康状况沟通服务；由用户 位置定位与短信报警功能实现的紧急情况报警服务。四大基本服务构成了一个服务 平台，支持上层的不同形式、不同种类的应用，如个人病情研究、某种病情研究分 析、紧急情况的急救服务等。系统基本功能模块包括了实现移动智能关爱服务的基 本元素：生理参数的采集和查询是实现对被关爱人员的提供关爱的基础，短信报警 和用户位置定位模块是实现关爱紧急救援的关键，远程监控和视频通话模块是人员 健康状况沟通的有效途径。 11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 2.3 移动智能关爱系统功能架构图 2.3 移动智能关爱系统的关键技术移动智能关爱系统的关键技术 移动智能关爱系统涉及的技术范围很广，包括：处理数据的智能移动设备，传 输视音频数据的无线网络，移动定位技术，以及屏蔽硬件平台的差异性和操作系统 与网络协议以及各个系统接口的异构性的中间件技术42。 1、Android 开发平台 移动智能关爱系统对于智能移动设备的选择也提出了一定的要求。随着通信技 术的发展，智能手机内存、固有存储介质容量的扩大以及各种传感器的嵌入，让其 功能变得更加丰富而强大。智能手机现在不仅仅是通讯的工具，而且也具备了一定 的处理能力和计算能力，特别是手机操作系统自身的不断改进和完善让其渗入到人 们生活中的方方面面，移动支付、移动定位、智能导航等等。 现今世界上智能手机操作系统有多种，主流的几种包括苹果的 IOS、Microsoft 的 Windows Mobile、谷歌的 Android，还有 RIM 的黑莓系列、诺基亚的塞班系列。 2007 年 11 月，Google 公司首次向外界展示 Android 操作系统，于 2008 年 9 月正式 发布 Android 1.0 版本。随后便迅速风靡移动终端操作系统市场，现已经占领美国市 场的 51%43。不同于封闭式的 Windows Mobile 与半开放式 Symbian OS 操作系统， 它是一个以 Linux 为核心的完全开放的移动设备综合平台，大体上由操作系统、中 间件、UI 界面和应用软件组成，通过搭配 Libraries（函数库）及 AndroidRuntime（运 行环境） ， 再利用 ApplicationFramework （应用程序框架） ， 来开发不同的 Application 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （应用程序）44。由于提供了从底层操作系统到上层的程序界面的所有软件，且对 第三方软件完全开放，不同的厂商或开发人员还可以根据自身需求修改和扩展，且 无需缴纳任何授权许可费用。就成本而言，Android 智能手机在以上几种智能手机中 普遍偏低，但功能和性能丝毫不会降低许多。据艾瑞咨询报告，截至 2012 年 2 月， 谷歌 Android 和苹果 iOS 设备在美国移动操作系统市场中所占份额达到新高，合起 来占美国移动网络智能手机流量的 91%， 其中 Android 手机操作系统以 58.8%的市场 份额占据首位45。因此，本系统的移动终端操作系统将以 Android OS 作为首选。 2、无线网络的选择 无线网络承载了移动智能关爱系统的诸多应用，包括医护人员与病患之间的视 音频交互、移动定位、亲属与病患之间的远程视频监控、智能报警等等。图 2.4 是 移动智能关爱系统中远程监控、移动定位的基本应用场景。当前的无线网络解决方 案包括， Zigbee、 蓝牙等短距离无线通信技术， RFID 无线射频46， ad hoc 无线网络， 无线局域网 WLAN，以蜂窝/GSM/3G 等以基础设施为导向的网络，和基于卫星的 系统。 图 2.4 远程监控和移动定位应用场景 基于移动智能关爱系统中对移动性、覆盖面积、低成本、高效率的需求，结合 几种无线通信技术在工作频段、速率、距离、应用方面的比较，wifi 具有覆盖范围 13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 大、并且使用免费的优点，如下表 2.1 所示，所以我们选择 wifi 技术作为移动智能 关爱系统数据传输的承载网络。 表 2.1 短距离无线技术对比表 红外(IrDA) 蓝牙(BlueTooth) 超宽带(UWB) Zigbee Wi-Fi 标准 IrDA1.0/1.1 /1.2/1.3 802.15.1 /Bluetooth1.0/2.0 802.15.3a 802.15.4 802.11b 工作 频段 2.4k-115.2kbps 0.576-4Mbps 2.4GHz 3.1-10.6GHz 868/915MHz/ 2.4GHz 2.4GHz 最高 速率 16 Mbps 3 Mbps 1Gbps 20Kbps(868MHz) 40Kbps(915MHz) 250Kbps(2.4GHz) 11Mbps 通信 距离 =3.8m =10m =10m =100m 150-300 m 特点 点到点通信，连 接快，速度高； 传输距离短，安 全性能低，无法 穿越障碍物，移 动性支持不好 功耗低，穿透力 强， 抗干扰性强， 通讯安全；成本 低，且组网简单 方便 低复杂度，低 成本；发射信 号功率谱密度 低，低截获能 力，定位精度 高 对等网络结构；速 度低，但是扩展性 好，网络容量大， 功耗低，成本低； 并支持路由功能 结 构 较 灵活，传 输 距 离 高；带宽 高，成本 较低 应用 便 携 设 备 通 信 （如键盘、遥控 器） 话音/数据的接 入；计算机外围 设备互联；个人 局域网 无线个人局域 网(PANs)；家 庭无线网络； 高速无线接入 网络 无线传感网；智能 控制；家居自动化 无 线 接 入网；无 线 局 域 网 3、移动定位技术 移动定位， 即通过移动运营商提供的服务或通过 GPS 获取移动终端用户的位 置信息，具体为经纬度坐标。通过运营商提供的网络 GSM，CDMA 来实现移动 终端定位功能，基本原理是使用移动终端动态获取各个基站下行导频信号的 TOA(Time of Arrival，即到达时刻)，统计这些 TOA 并结合基站所处的经纬度， 根据三角公式估算法47，从而计算用户的位置。在多基站的情况下，算法需要作 一些调整，计算方法更加复杂。一般情况下，基站数目越多，测量精度越高，定 位越准确。 GPS 卫星定位采用终端计算的方式实现，速度较慢，对卫星的依赖 14 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 强，但精度高，且对终端的要求只内置 GPS 模块，而市场上 80%的 Android 手 机都已固化了 GPS 模块，这一点非常容易实现，并且对于用户来说使用是免费 的。GSM 网络定位方式采用网络计算，定位精度较低。CDMA 的 gpsOne 定位 方式采用终端采集+网络计算的方式，定位精度高，但是对于用户来说一般是收 费的。这三种方式在定位原理，终端需求，使用费用方面的比较如下表 2.2 所示。 综合考虑以上分析，本系统中的移动终端定位技术采用 GPS 卫星定位。 表 2.2 三种定位方式的比较 定位实现 是否免费 终端需求 定位原理 GSM 网络 采用网络计算， 速度快，效果欠 佳，定位精度差 否 普通手机 精度低，采用 网络定位 CDMA 网 络 同时运用网络计 算 和 终 端 采 集 的，盲区少，速 度快 否 拥有gpsOne功 能的手机 精度最高，采 用卫星和网络 的协同方式 GPS 凭借终端计算， 依赖于卫星，需 要捕捉到 3 颗以 上卫星 是 内置的 GPS 手 机或者可以外 接 GPS 模块的 手机 精度高，采用 卫星定位 2.4 本章小节本章小节 本章主要介绍了基于 Android 的移动智能关爱系统的基础架构与解决方案，以及 主要的应用与服务。在描述了移动智能关爱系统的应用架构后，紧接着描述了系统 所涉及到的关键技术，包括无线网络的选择、Android 开发平台、移动定位技术。 15 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 服务服务器器软件软件的的设计与实现设计与实现 本系统设计的服务器工作在 Windows 平台，保证服务器具有较高的工作效率， 在任何时间可以响应用户的不同请求，因此采用多线程设计。 基于 Android 的移动智能关爱系统服务器端在结构上分为两个部分， Android 服 务器与 Android 手机终端通信， Web 服务器用于响应远程客户端的 HTTP 请求。 Web 服务器与 Android 服务器调用共同的方法，如数据库工具类，从而连接、操作、管理 数据库，完成登录、注册等功能。Web 服务器需要与 Android 服务器协同工作，于 是设计将其绑定到一起，当启动 Web 服务时即可相应地同时启动 Android 服务器。 结构框图如图 3.1 所示。 下面分别介绍 Androd 服务器部分的工作流程和 Web 服务器部分的工作流程。 图 3.1 服务器端结构框图 3.1 Android 服务器服务器软件软件结构设计结构设计 Android 服务器也运行在 Windows 平台上，主要用来与 Android 智能终端进行通 信。 作为控制中心和数据共享中心， 它负责管理 Android 移动终端的注册、 登录请求， 管理 Android 用户，并为将来的扩展功能提供平台。Web 服务器的容器的 ServletContextListener 监听器中写入启动 Android 服务器部分的启动代码， 这样一来， 16 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 一旦 Web 服务器开始工作，便会同时启动 Android 服务器。Android 服务器部分工作 流程框图如下图 3.2 所示。 图 3.2 Android 服务器程序流程 当启动服务器端的监听线程后，服务器资源进行必要的初始化工作，然后开始监 听指定端口，等待来自网络上客户端的连接请求。如果网络上一直没有客户端请求 则程序在此处一直阻塞，直到接收到客户端请求。客户端向服务器发出的请求，一 般都会保存在服务器所属主机的操作系统维护的请求队列中，并且 accept()方法根据 请求队列中请求的发起时间， 选出一个最早的一个来处理。 该方法将返回一个 Socket 对象，服务器通过此对象可以与客户端之间进行可靠的双向通信。然后服务器通过 操作从该 Socket 对象获得的输入、输出流，来从输入流读取客户发来的数据，或者 打开输出流向客户端发送数据。通信结束后，服务器程序仍会继续监听网络，在此 时一直处于阻塞状态，等待客户端连接。 17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 当服务器端监听到客户端的 socket 请求，并且通过 accept()方法成功获取到 socket，能够与客户端进行通信。此时服务器通过该 socket 对象来获取输入流，并开 始读取数据，根据不同的消息头，从而进行不同的处理。处理流程如下图 3.3 所示。 图 3.3 Android 服务器响应客户端的不同请求 使用 DataInputStream din=new DataInputStream(socket.getInputStream();方法来获 取输入流， 使用 String msg=din.readUTF(); 来接收客户端发来的消息。使用 String.startsWith()方法判断接收到的客户端发来的消息的消息头为何内容，来做进一 步处理。 当消息头为字符串时，表明用户发送请求登录的消息，服务端通 过 socket 对象的输入流获取该字符串后面的内容，即用户名和密码，并查询数据库 来检察该用户名和密码是否正确，如果正确，则通过输出流向客户端发送一个字符 串标志，后面附上用户基本信息，包括用户 id，用户名等。 以此来通知用户表明用户登录成功。如果检查发现用户名和密码不匹配，则通过 socket 对象的输出流向用户发送LOGIN_FAIL的字符串标志，以 通知用户登录失败。 当消息头为字符串时，表明用户发送了请求注册的消息，服务 18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 端通过 socket 对象的输入流获取到该字符串后面的信息，即用户名、密码、邮箱地 址等注册信息。然后连接数据库，采用取最大值的方法，生成一个唯一标志用户信 息的用户账号，并利用这个 u_no 和用户发送来的注册信息向数据库插入一条记录， 如果插入成功，则想用户发送信息，后面再附上用户账号 u_no， 便于采取其他措施。 最大值方法， 即在已有的用户信息表上， 根据已有的 u_no 值，取一个大于 u_no 的所有值的集合，在这个集合中选择一个最小的值，即为所需 用户账号，这样取值的前提是 MySQL 数据库的用户信息表的主键 u_no 采取自增的 方式取值。 当消息头为字符串时，表明用户发送了请求退出的消息， 于是服务端关闭输入输出流，关闭 socket 对象，以中断与客户端之间的任何通信。 3.2 Web 服务器软件结构设计 Web 服务器作为整个系统平台的数据处理中心和控制中心， 一方面通过串口或者 无线网络接收生理参数模块采集的生理参数信息，一方面响应远程客户端的 http 请 求，通过反馈 html 脚本给客户端浏览器的方式，满足用户查询和管理的需求。部署 在服务器端的 MySQL 数据库，则成为整个系统数据服务的中转站，担负着数据存储 与管理的作用，其运行效率的高低是整个系统性能的关键。Web 服务器软件结构框 图如下图 3.4 所示。 图 3.4 Web 服务器软件结构框图 生理参数采集模块通过串口或无线的方式与 Web 服务器相连， 客户端通过 Web 浏 览器发送命令给 Web 服务器， 控制生理参数模块采集相应的生理信息并传输到 MySQL 数据库中。Web 服务器在脚本语言中通过连接数据、检索记录、或插入、更新记录来 完成对 MySQL 数据库的访问。客户端浏览器通过 http 协议访问 Web 服务器得到指定 19 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 病患的生理参数信息，包括体温、血氧、血压、血氧饱和度、心电图