嚴玉雙，鄧成中，任洋，陳渝薦

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610039）

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

目前，臥床老人的監(jiān)測需求量大，針對老年人尤其是臥床老人的監(jiān)測問題亟待解決[2]。市場上現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)多采用藍牙、WiFi 和ZigBee 技術(shù)，但這些無線通信技術(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)域一個新興的技術(shù)，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低等優(yōu)點[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)測系統(tǒng)，使用國產(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，在云平臺上為臥床老人提供快捷、靈活、低成本的監(jiān)測服務(wù)，實現(xiàn)了對臥床老人的遠程實時監(jiān)測和預(yù)警功能[6]，更好地滿足臥床老人的監(jiān)護需求。

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)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)包括控制部件、NB-IoT 基站、OneNET 云平臺和客戶端[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)超過設(shè)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(lián)網(wǎng)協(xié)議與OneNET 云平臺相連接，將采集到的體征及居室數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺，OneNET 云平臺收發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。客戶端可實時監(jiān)測臥床老人的血壓、心率及居室環(huán)境溫濕度參數(shù)，并進行遠程報警控制[12]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測系統(tǒng)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(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

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。GD32 是國內(nèi)開發(fā)的一款單片機，其CPU、內(nèi)存、外設(shè)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(shù)據(jù)，并通過NB-IoT 模塊上傳到OneNET 云平臺，以及根據(jù)接收到的云平臺下發(fā)的控制命令來控制報警模塊實現(xiàn)報警。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

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

體征監(jiān)測模塊用于監(jiān)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(yīng)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(shù)據(jù)。體征監(jiān)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(jiān)測模塊包括DHT11 和MQ-2，用于監(jiān)測臥室的溫度、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)測臥床老人臀部和關(guān)節(jié)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(shè)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(xié)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(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)議來實現(xiàn)模組接入OneNET 平臺，用于將傳感器采集的數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺，并且接收云平臺下發(fā)的控制命令。

圖5 NB-IoT模塊電路原理圖

2.4 顯示和報警模塊設(shè)計

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。報警模塊通過驅(qū)動蜂鳴器和LED 燈來實現(xiàn)聲光報警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序流程圖如圖6 所示。系統(tǒng)上電后，對系統(tǒng)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(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)超過設(shè)定的閾值，那么報警器直接報警。同時，NB-IoT 模塊發(fā)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(fā)送訂閱Object、Resource 資源命令，登錄到OneNET 平臺。進一步地，系統(tǒng)開啟定時器和串口中斷，如果串口接收到OneNET 云平臺下發(fā)的操作命令，則執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果沒有接收到下發(fā)命令，則等待定時時間到達，向云平臺上傳訂閱資源的數(shù)據(jù)，云平臺接收上傳的數(shù)據(jù)并存儲。最后，OneNET 云平臺將數(shù)據(jù)同步到設(shè)置的客戶端Web 網(wǎng)頁和手機頁面，方便用戶觀測數(shù)據(jù)和操作。

圖6 系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)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(shù)據(jù)并存儲。同時，在設(shè)置的客戶端Web 網(wǎng)頁和手機頁面均可以直觀監(jiān)測到臥床老人的高壓、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)過測試運行正常，數(shù)據(jù)收發(fā)正常，各數(shù)據(jù)準確，控制報警器響應(yīng)迅速。系統(tǒng)監(jiān)測界面圖如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)監(jiān)測界面圖

5 結(jié)束語

文中設(shè)計的基于NB-IoT 技術(shù)的臥床老人體征及居室監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測臥床老人的心率、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NB-IoT 技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺，可以遠程監(jiān)控以及遠程控制報警。系統(tǒng)所采用的NB-IoT 技術(shù)和國產(chǎn)GD32 芯片大大降低了系統(tǒng)的開發(fā)周期、功耗和成本，采集的體征數(shù)據(jù)在云平臺存儲，便于更加準確地監(jiān)測和分析臥床老人的體征情況，滿足了對臥床老人的監(jiān)測需求。