基于NB-IoT 的臥床老人監測系統

嚴玉雙，鄧成中，任洋，陳渝薦

（西華大學機械工程學院，四川成都 610039）

隨著我國人口老齡化的加重，老人養老問題受到人們的重視，老年臥床群體數量巨大且逐年遞增。由于身體機能老化，臥床老人的疾病風險發生率遠大于同年齡段的其他老人[1]。

目前，臥床老人的監測需求量大，針對老年人尤其是臥床老人的監測問題亟待解決[2]。市場上現有監測系統多采用藍牙、WiFi 和ZigBee 技術，但這些無線通信技術通信距離短，并且系統的功耗大、成本高。而NB-IoT 是IoT 領域一個新興的技術，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低等優點[3-4]。因此，文中提出基于NB-IoT 技術的臥床老人體征及居室監測系統，使用國產GD32 控制器有效地利用物聯網和傳感技術[5]，降低了系統功耗和成本，在云平臺上為臥床老人提供快捷、靈活、低成本的監測服務，實現了對臥床老人的遠程實時監測和預警功能[6]，更好地滿足臥床老人的監護需求。

1 系統總體架構

基于NB-IoT 技術的臥床老人體征及居室監測系統的總體架構包括控制部件、NB-IoT 基站、OneNET 云平臺和客戶端[7-8]。系統總體架構圖如圖1所示。

圖1 系統總體架構圖

控制部件以GD32 為控制器，采用傳感器檢測臥床老人的血壓、心率、體表溫度及居室環境參數并顯示，數據超過設定的閾值則報警器報警[9-11]。NB-IoT 模塊通過NB-IoT 基站以物聯網協議與OneNET 云平臺相連接，將采集到的體征及居室數據上傳至OneNET 云平臺，OneNET 云平臺收發相應的數據。客戶端可實時監測臥床老人的血壓、心率及居室環境溫濕度參數，并進行遠程報警控制[12]。

2 系統硬件設計

基于NB-IoT 技術的臥床老人體征及居室監測系統主要包括GD32控制器模塊、傳感器采集模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊、NB-IoT 模塊、OneNET 云平臺和客戶端[13]。系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖

2.1 GD32控制器模塊設計

系統的GD32 控制器采用的是北京兆易創新生產的GD32F103C8T6 單片機。GD32 是國內開發的一款單片機，其CPU、內存、外設豐富度等各方面與STM32 沒有太大差別。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據，并通過NB-IoT 模塊上傳到OneNET 云平臺，以及根據接收到的云平臺下發的控制命令來控制報警模塊實現報警。GD32 控制器最小系統如圖3 所示。

圖3 GD32控制器最小系統

2.2 傳感器采集模塊設計

傳感器采集模塊主要包括體征監測模塊、居室監測模塊和壓瘡預防模塊。

體征監測模塊用于監測臥床老人的心率、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）的方式感應人體的脈搏信息并加以提取，通過模擬前端芯片HR607+HR6816和算法芯片SFB9712輸出血壓、心率等串口信號。WD3703溫度傳感器通過GPIO 接口和SFB9712算法芯片相連接，從算法芯片SFB9712的串口UART輸出溫度數據。體征監測MKB0908模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 MKB0908模塊電路原理圖

居室監測模塊包括DHT11 和MQ-2，用于監測臥室的溫度、濕度和煙霧濃度。

壓瘡預防模塊采用的是FSR 電阻式薄膜壓力傳感器，用于監測臥床老人臀部和關節的壓力值，以此來判斷臥床老人是否離床，并定時提醒翻身[14]。

2.3 NB-IoT模塊設計

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 協議，可使用COAP 連接電信平臺、使用LWM2M 連接移動ONENET，也可使用MQTT 連接第三方服務器。系統的NB-IoT 模塊使用M5310A 模組發送AT 指令，使用LwM2M 協議來實現模組接入OneNET 平臺，用于將傳感器采集的數據信息上傳到云平臺，并且接收云平臺下發的控制命令。

圖5 NB-IoT模塊電路原理圖

2.4 顯示和報警模塊設計

系統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、體表溫度及居室環境溫濕度和煙霧濃度。報警模塊通過驅動蜂鳴器和LED 燈來實現聲光報警。

3 系統軟件設計

系統程序流程圖如圖6 所示。系統上電后，對系統的時鐘、定時器、顯示屏、傳感器和NB-IoT 模組等進行初始化[16]。系統初始化后，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據顯示在顯示屏上。如果采集的數據超過設定的閾值，那么報警器直接報警。同時，NB-IoT 模塊發送AT 指令連接OneNET 云平臺，如果連接未成功，則再次連接；如果成功連接OneNET 云平臺，則M5310-A模組開始發送訂閱Object、Resource 資源命令，登錄到OneNET 平臺。進一步地，系統開啟定時器和串口中斷，如果串口接收到OneNET 云平臺下發的操作命令，則執行相應的操作；如果沒有接收到下發命令，則等待定時時間到達，向云平臺上傳訂閱資源的數據，云平臺接收上傳的數據并存儲。最后，OneNET 云平臺將數據同步到設置的客戶端Web 網頁和手機頁面，方便用戶觀測數據和操作。

圖6 系統程序流程圖

4 系統測試

系統上電完成初始化之后，登錄OneNET 云平臺，等待NB-IoT 模塊連接OneNET 云平臺，成功連接后，云平臺可接收到所訂閱資源的數據并存儲。同時，在設置的客戶端Web 網頁和手機頁面均可以直觀監測到臥床老人的高壓、低壓和心率曲線圖，以及居室環境的溫濕度值。系統經過測試運行正常，數據收發正常，各數據準確，控制報警器響應迅速。系統監測界面圖如圖7 所示。

圖7 系統監測界面圖

5 結束語

文中設計的基于NB-IoT 技術的臥床老人體征及居室監測系統，能夠實時監測臥床老人的心率、血壓和體表溫度及居室環境的溫濕度和煙霧濃度，顯示采集的體征和居室數據，并通過NB-IoT 技術將數據上傳至OneNET 云平臺，可以遠程監控以及遠程控制報警。系統所采用的NB-IoT 技術和國產GD32 芯片大大降低了系統的開發周期、功耗和成本，采集的體征數據在云平臺存儲，便于更加準確地監測和分析臥床老人的體征情況，滿足了對臥床老人的監測需求。