利用智能手機(jī)和可穿戴式脈搏信號采集設(shè)備進(jìn)行方便、快捷、高效的脈搏信號采集與處理對于人體健康狀況監(jiān)測具有重大的意義。然而長期、大量的脈搏信號采集與處理必然消耗過多的智能手機(jī)計(jì)算資源及電池容量。因此,如何在計(jì)算能力和電池容量受限的條件下,開展智能手機(jī)上的脈搏信號采集與處理成為一個(gè)迫切需要解決的問題。本文對面向脈搏信號處理的移動(dòng)計(jì)算卸載(Computation Offloading)技術(shù)進(jìn)行了研究。在搭建了計(jì)算卸載硬軟件平臺的基礎(chǔ)上,通過科學(xué)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)對比和數(shù)據(jù)分析,證明了通過將脈搏信號處理任務(wù)由智能手機(jī)卸載到云端,既能降低本地智能手機(jī)脈搏信號處理能耗又能提高脈搏信號處理實(shí)時(shí)性,并得出采用兩個(gè)遠(yuǎn)程云及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是最佳的計(jì)算卸載途徑。在此基礎(chǔ)上,提出了基于權(quán)重函數(shù)的用戶自適應(yīng)卸載決策方法,使用戶可以根據(jù)自身對脈搏信號處理時(shí)間消耗和電量消耗的關(guān)注度靈活選擇在本地智能手機(jī)還是運(yùn)程云端進(jìn)行脈搏信號處理。本論文的主要工作如下:(1)設(shè)計(jì)了脈搏信號采集系統(tǒng)。首先利用綠光反射式脈搏傳感器采集大拇指的脈搏信號并通過硬件預(yù)處理電路I/V轉(zhuǎn)換、濾波和放大等操作,輸出0-3V的電壓信號,然后利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器把電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,最后通過藍(lán)牙把脈搏信號發(fā)送給智能手機(jī),為脈搏信號處理提供數(shù)據(jù)來源。(2)搭建了面向脈搏信號處理的計(jì)算卸載平臺。該平臺主要包括本地安卓智能手機(jī)App和Web云端應(yīng)用程序兩部分。本論文利用Eclipse、ADT插件和Android SDK開發(fā)了面向本地Andro id智能手機(jī)的脈搏信號處理計(jì)算卸載App,該App主要由藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)模塊、待處理脈搏信號接收模塊、脈搏信號存儲模塊、脈搏波顯示模塊、云端服務(wù)器設(shè)置模塊、脈搏信號加載模塊、本地脈搏信號處理模塊、脈搏信號往云端發(fā)送模塊和接收云端處理后脈搏信號模塊共九個(gè)模塊組成;利用MyEc lipse和Tomcat開發(fā)了Web云端脈搏信號處理計(jì)算卸載程序,該程序主要由云端脈搏信號接收模塊、云端脈搏信號處理模塊和向本地智能手機(jī)發(fā)送處理后脈搏信號模塊共三個(gè)模塊構(gòu)成。(3)研究了基于本地微云和運(yùn)程云的兩種不同脈搏信號處理計(jì)算卸載方法。對不同方法下的脈搏信號處理時(shí)間和能耗進(jìn)行了科學(xué)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過計(jì)算卸載既能降低本地智能手機(jī)脈搏信號處理的能耗又能提高脈搏信號處理的實(shí)時(shí)性。同時(shí),采用兩個(gè)遠(yuǎn)程云及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是最佳的計(jì)算卸載途徑。在此基礎(chǔ)上,采用最佳計(jì)算卸載途徑研究了不同脈搏數(shù)據(jù)量下通過計(jì)算卸載進(jìn)行脈搏信號處理的時(shí)間減少和能耗減少的規(guī)律。(4)提出了兩種脈搏信號處理計(jì)算卸載決策方法。首先提出了一種不考慮用戶對脈搏信號處理時(shí)間消耗和電量消耗關(guān)注度的非自適應(yīng)計(jì)算卸載決策方法,該方法可以通過對比脈搏信號本地處理和云端處理的時(shí)間消耗和電量消耗來決定是否進(jìn)行計(jì)算卸載。接著提出了用戶自適應(yīng)計(jì)算卸載決策方法,該方法能夠同時(shí)依據(jù)時(shí)間消耗、電量消耗和用戶對這兩大消耗的關(guān)注程度靈活地選擇在本地智能手機(jī)還是遠(yuǎn)程云服務(wù)器進(jìn)行脈搏信號處理。
【學(xué)位單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.7
【部分圖文】：

圖 1.1 典型的脈搏信號波形圖如上圖 1.1 所示為典型的脈搏信號波形圖，各點(diǎn)代表的意義如下所示[5]：0：脈搏波的波谷，此時(shí)主動(dòng)脈瓣打開并且開始向動(dòng)脈射血，隨之血管壁內(nèi)壓增加。1：脈搏波主波峰值點(diǎn)，此時(shí)血管壁內(nèi)壓最大。2：重搏前波峰值點(diǎn)，即主動(dòng)脈內(nèi)壓和左心室內(nèi)壓平衡點(diǎn)。3：脈搏波降中峽，主動(dòng)脈瓣關(guān)閉，此時(shí)血管系統(tǒng)中的壓力將繼續(xù)下降。4：重搏波的峰值點(diǎn)，此點(diǎn)是波峰之后的第四個(gè)拐點(diǎn)，這是血液反流引起血管壁壓力降低后產(chǎn)生反彈的現(xiàn)象。相關(guān)研究顯示，對脈搏信號的一些指標(biāo)進(jìn)行處理，可以用來評估人體的健康狀況。例如，脈搏波的傳播速度可以用于連續(xù)血壓的無創(chuàng)測量和動(dòng)脈硬化的預(yù)測[6,7]；通過脈搏波的周期計(jì)算脈率可以用于人體健康狀況的預(yù)警；脈率可以用于人體心血管系統(tǒng)健康狀況的評估[8]；主波波峰最大值可用于人體亞健康的識別[9 ]；均值可以反映人體疲勞狀態(tài)的信息[10 ]；中值可以用于睡意狀態(tài)的評估[11]；脈搏波

圖 2.1 脈搏信號采集系統(tǒng)流程圖圖 2.2 脈搏信號采集系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2.2所示為脈搏信號采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)實(shí)物圖。脈搏信號采集系統(tǒng)主要由硬件預(yù)處理電路和藍(lán)牙發(fā)送前端、脈搏傳感器、智能手機(jī)和固定裝置四部分組成。系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)硬件預(yù)處理電路和藍(lán)牙發(fā)送前端的電源開關(guān)打開之后，脈搏傳感器燈亮并發(fā)出綠光，此時(shí)綠光反射式脈搏傳感器開始采集大拇指的脈搏信號，接著通過硬件預(yù)處理電路I/V轉(zhuǎn)換、濾波和放大，輸出為0-3V的的電壓信號，脈搏傳感器 硬件預(yù)處理電路 藍(lán)牙發(fā)送前端 智能手機(jī)

圖 2.4 HC-06 模塊示意圖 藍(lán)牙模塊的核心參數(shù)如下表 2.1 所示：表 2.1 HC-06 藍(lán)牙模塊的核心參數(shù)稱 參數(shù)值 參數(shù)名稱 參 HC-06 模塊尺寸 27段 2.4G 空中速率 口 UART3.3VTTL 電平 天線接口 內(nèi)置壓 3.0~3.6V 通信電流 支持 不支持 接收靈敏度 -85dB平 3.3V 工作濕度 10率 4dBm（最大） 存儲溫度 -40離 10m 工作溫度 -25 藍(lán)牙模塊的一些功能說明如下表 2.2 所示：表 2.2 HC-06 藍(lán)牙模塊的一些功能說明

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本文編號：2818074