基于NB-IoT 的臥床老人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

嚴(yán)玉雙，鄧成中，任洋，陳渝薦

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都 610039）

隨著我國(guó)人口老齡化的加重，老人養(yǎng)老問(wèn)題受到人們的重視，老年臥床群體數(shù)量巨大且逐年遞增。由于身體機(jī)能老化，臥床老人的疾病風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生率遠(yuǎn)大于同年齡段的其他老人[1]。

目前，臥床老人的監(jiān)測(cè)需求量大，針對(duì)老年人尤其是臥床老人的監(jiān)測(cè)問(wèn)題亟待解決[2]。市場(chǎng)上現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用藍(lán)牙、WiFi 和ZigBee 技術(shù)，但這些無(wú)線通信技術(shù)通信距離短，并且系統(tǒng)的功耗大、成本高。而NB-IoT 是IoT 領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。因此，文中提出基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用國(guó)產(chǎn)GD32 控制器有效地利用物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術(shù)[5]，降低了系統(tǒng)功耗和成本，在云平臺(tái)上為臥床老人提供快捷、靈活、低成本的監(jiān)測(cè)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臥床老人的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警功能[6]，更好地滿足臥床老人的監(jiān)護(hù)需求。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括控制部件、NB-IoT 基站、OneNET 云平臺(tái)和客戶端[7-8]。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

控制部件以GD32 為控制器，采用傳感器檢測(cè)臥床老人的血壓、心率、體表溫度及居室環(huán)境參數(shù)并顯示，數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值則報(bào)警器報(bào)警[9-11]。NB-IoT 模塊通過(guò)NB-IoT 基站以物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與OneNET 云平臺(tái)相連接，將采集到的體征及居室數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺(tái)，OneNET 云平臺(tái)收發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)?？蛻舳丝蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)臥床老人的血壓、心率及居室環(huán)境溫濕度參數(shù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警控制[12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括GD32控制器模塊、傳感器采集模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、電源模塊、NB-IoT 模塊、OneNET 云平臺(tái)和客戶端[13]。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 GD32控制器模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的GD32 控制器采用的是北京兆易創(chuàng)新生產(chǎn)的GD32F103C8T6 單片機(jī)。GD32 是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的一款單片機(jī)，其CPU、內(nèi)存、外設(shè)豐富度等各方面與STM32 沒(méi)有太大差別。但是與STM32 相比，GD32 的成本更低。GD32 控制器模塊主要用于處理傳感器采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IoT 模塊上傳到OneNET 云平臺(tái)，以及根據(jù)接收到的云平臺(tái)下發(fā)的控制命令來(lái)控制報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警。GD32 控制器最小系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 GD32控制器最小系統(tǒng)

2.2 傳感器采集模塊設(shè)計(jì)

傳感器采集模塊主要包括體征監(jiān)測(cè)模塊、居室監(jiān)測(cè)模塊和壓瘡預(yù)防模塊。

體征監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)臥床老人的心率、血壓和體表溫度，采用的是MKB0908，主要由一顆YK1801脈搏傳感器芯片、一顆HR6707 脈搏芯片、一顆HR6816增益芯片、一顆SFB9712 算法芯片和一顆WD3703 溫度傳感器共五顆芯片組成。脈搏傳感器芯片采用光電式容積脈搏波描記（PPG）的方式感應(yīng)人體的脈搏信息并加以提取，通過(guò)模擬前端芯片HR607+HR6816和算法芯片SFB9712輸出血壓、心率等串口信號(hào)。WD3703溫度傳感器通過(guò)GPIO 接口和SFB9712算法芯片相連接，從算法芯片SFB9712的串口UART輸出溫度數(shù)據(jù)。體征監(jiān)測(cè)MKB0908模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 MKB0908模塊電路原理圖

居室監(jiān)測(cè)模塊包括DHT11 和MQ-2，用于監(jiān)測(cè)臥室的溫度、濕度和煙霧濃度。

壓瘡預(yù)防模塊采用的是FSR 電阻式薄膜壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)臥床老人臀部和關(guān)節(jié)的壓力值，以此來(lái)判斷臥床老人是否離床，并定時(shí)提醒翻身[14]。

2.3 NB-IoT模塊設(shè)計(jì)

NB-IoT 模塊由M5310A、RF 天線、SIM 卡和下載接口等組成，NB-IoT 模塊電路原理圖如圖5 所示[15]。M5310A 模組為NB 全頻段，支持UDP、TCP 協(xié)議，可使用COAP 連接電信平臺(tái)、使用LWM2M 連接移動(dòng)ONENET，也可使用MQTT 連接第三方服務(wù)器。系統(tǒng)的NB-IoT 模塊使用M5310A 模組發(fā)送AT 指令，使用LwM2M 協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)模組接入OneNET 平臺(tái)，用于將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺(tái)，并且接收云平臺(tái)下發(fā)的控制命令。

圖5 NB-IoT模塊電路原理圖

2.4 顯示和報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的顯示模塊采用液晶顯示屏，用于顯示臥床老人的血壓、心率、體表溫度及居室環(huán)境溫濕度和煙霧濃度。報(bào)警模塊通過(guò)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED 燈來(lái)實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程圖如圖6 所示。系統(tǒng)上電后，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘、定時(shí)器、顯示屏、傳感器和NB-IoT 模組等進(jìn)行初始化[16]。系統(tǒng)初始化后，傳感器采集臥床老人的心率、血壓和體表溫度及居室環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度，并將采集的臥床老人的體征及居室數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上。如果采集的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的閾值，那么報(bào)警器直接報(bào)警。同時(shí)，NB-IoT 模塊發(fā)送AT 指令連接OneNET 云平臺(tái)，如果連接未成功，則再次連接；如果成功連接OneNET 云平臺(tái)，則M5310-A模組開(kāi)始發(fā)送訂閱Object、Resource 資源命令，登錄到OneNET 平臺(tái)。進(jìn)一步地，系統(tǒng)開(kāi)啟定時(shí)器和串口中斷，如果串口接收到OneNET 云平臺(tái)下發(fā)的操作命令，則執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果沒(méi)有接收到下發(fā)命令，則等待定時(shí)時(shí)間到達(dá)，向云平臺(tái)上傳訂閱資源的數(shù)據(jù)，云平臺(tái)接收上傳的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。最后，OneNET 云平臺(tái)將數(shù)據(jù)同步到設(shè)置的客戶端Web 網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)頁(yè)面，方便用戶觀測(cè)數(shù)據(jù)和操作。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)上電完成初始化之后，登錄OneNET 云平臺(tái)，等待NB-IoT 模塊連接OneNET 云平臺(tái)，成功連接后，云平臺(tái)可接收到所訂閱資源的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。同時(shí)，在設(shè)置的客戶端Web 網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)頁(yè)面均可以直觀監(jiān)測(cè)到臥床老人的高壓、低壓和心率曲線圖，以及居室環(huán)境的溫濕度值。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)測(cè)試運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，各數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制報(bào)警器響應(yīng)迅速。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)界面圖

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)臥床老人的心率、血壓和體表溫度及居室環(huán)境的溫濕度和煙霧濃度，顯示采集的體征和居室數(shù)據(jù)，并通過(guò)NB-IoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺(tái)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控以及遠(yuǎn)程控制報(bào)警。系統(tǒng)所采用的NB-IoT 技術(shù)和國(guó)產(chǎn)GD32 芯片大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期、功耗和成本，采集的體征數(shù)據(jù)在云平臺(tái)存儲(chǔ)，便于更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)和分析臥床老人的體征情況，滿足了對(duì)臥床老人的監(jiān)測(cè)需求。