基于NB-IoT的老年人安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

蘭州理工大學(xué)計算機(jī)與通信學(xué)院 許祖銘

1.引言

我國進(jìn)入人口老齡化社會，老年人遇到各類情況的安全風(fēng)險都在增大。本系統(tǒng)綜合考慮了老年人意外跌倒及家中遇到的各種安全風(fēng)險和疾病風(fēng)險，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效地降低了這一類風(fēng)險發(fā)生所造成的嚴(yán)重后果，還可以為我國養(yǎng)老服務(wù)行業(yè)提供新的模式，帶動養(yǎng)老服務(wù)產(chǎn)業(yè)和遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)快速發(fā)展。

2.系統(tǒng)簡介

2.1 本系統(tǒng)的總體建設(shè)目標(biāo)

利用NB-IoT技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器技術(shù)，設(shè)計一種老年安全監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對老年人脈搏、體溫、血壓、步態(tài)等生理參數(shù)的監(jiān)測，同時可實現(xiàn)定位、摔倒警報、火災(zāi)警報、煤氣泄漏警報等安全防護(hù)功能。

2.2 本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)監(jiān)測部分和安全防護(hù)部分

（1）數(shù)據(jù)監(jiān)測部分分為監(jiān)測端和移動端。監(jiān)測端包括溫度傳感器、微壓力傳感器、三軸加速度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等。采用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過移動互聯(lián)網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器端對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，然后顯示到PC客戶端或者移動客戶端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、監(jiān)測、存儲、查詢、分析等功能。整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測部分整體架構(gòu)

（2）安全防護(hù)部分分為處理模塊和功能模塊。傳感器作為監(jiān)測模塊，當(dāng)老人意外摔倒，心臟病發(fā)作，走丟，家中起火或者煤氣泄漏等意外情況發(fā)生時，處理模塊感知監(jiān)測數(shù)據(jù)并識別意外的發(fā)生，并實現(xiàn)通知、報警、定位等安全防護(hù)功能。整體架構(gòu)如圖2所示。

監(jiān)護(hù)人通過該系統(tǒng)可對老年人體溫、脈搏、步態(tài)等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，密切關(guān)注老人的生理狀況，及時發(fā)現(xiàn)并治療疾病。同時，在老人意外摔倒、心臟病發(fā)作或者家中發(fā)生火災(zāi)、煤氣泄漏等緊急情況時，該設(shè)備自動向監(jiān)護(hù)人發(fā)出警報。患有阿茲海默癥老人意外走失時，監(jiān)護(hù)人還可通過該設(shè)備定位功能將老人找回。

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

本系統(tǒng)采用STM32CubeMX工具進(jìn)行開發(fā)，這是一個全面的軟件平臺，包括ST產(chǎn)品的每個系列。采用MCU為ST公司低功耗系列的STM32L151芯片，NB模塊采用移遠(yuǎn)的BC-95，并使用電信NB-IoT專用SIM卡。NB模塊供電電壓為3.1V～4.2V，頻段為BC95-B8：900MHZ/850MHZ/800MHZ，工作溫度在-40℃～+85℃，下載方式為UART，使用協(xié)議棧IPV4/IPV6*。此模塊主要優(yōu)勢有：（1）模塊尺寸緊湊，體積較小，使用方便；（2）低功耗、超高靈敏度；（3）LCC封裝，適合批量生產(chǎn)，便于產(chǎn)品開發(fā)；（4）內(nèi)嵌豐富的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧。

圖2 安全防護(hù)部分整體架構(gòu)

本系統(tǒng)采用微壓力傳感器為HM30微差壓變送器，允許測量范圍在0～500pa，擁有防雷擊，防射頻干擾，結(jié)構(gòu)精巧，外形美觀等優(yōu)點。煙霧傳感器為凌涵科技的KGN1型煙霧傳感器，檢測靈敏度為三級可調(diào)，可以檢測多種有毒、爆炸性氣體。三軸加速度傳感器為MPU-6050模塊，陀螺儀范圍±250 500 1000 2000°/s，加速度范圍±2±4±8±16g。MPU-6000為整合性6軸運(yùn)動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MLX90614是一款由邁來芯公司提供的低成本測溫模塊，測量范圍在-70℃～+382.2℃，測量誤差為±0.5℃，分辨率為0.02℃，感測物體距離小于1cm。輸出數(shù)據(jù)和物體溫度呈線性比例，具有高精度和高分辨率。

傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)由NB-IoT模組發(fā)送到NB-Center進(jìn)行統(tǒng)一管理，管理設(shè)備和設(shè)備的會話與上報數(shù)據(jù)、下行指令。通過CoAp服務(wù)器，可以方便用戶通過電腦和手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，同時保證了數(shù)據(jù)的安全性和實時性。

3.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

國外的發(fā)達(dá)國家比中國更早進(jìn)入老齡化社會，所以在老年人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)方面的研究更加深入。例如瑞典的Tass公司設(shè)計了一種健康監(jiān)測系統(tǒng)，還在Android智能手機(jī)上開發(fā)了相應(yīng)的App。系統(tǒng)可將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸pp上，由監(jiān)護(hù)人進(jìn)行查看。又例如英國生命信托基金會研究的監(jiān)測系統(tǒng)，通過無線通信技術(shù)，將電子芯片鑲嵌至家居設(shè)備中，實現(xiàn)對老年人生活的監(jiān)測。國外對老年人監(jiān)測系統(tǒng)的研究還有可穿戴類設(shè)備方面，例如AMON腕帶式健康監(jiān)測系統(tǒng)，類似國內(nèi)研發(fā)的小米手環(huán)，但遠(yuǎn)不及小米手環(huán)的舒適性和靈活性。國內(nèi)為了緩解老齡化問題，在物聯(lián)網(wǎng)方面對老年人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究和實踐。山東濟(jì)南在智能養(yǎng)老方面，綜合運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進(jìn)技術(shù)建立智能養(yǎng)老中心。南京鼓樓區(qū)在智能養(yǎng)老方面提供了遠(yuǎn)程醫(yī)療、緊急呼叫等服務(wù)。類似的研究和實踐還有很多，將智能養(yǎng)老服務(wù)與監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)合，使我國養(yǎng)老體系更加完善。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)對智能化養(yǎng)老系統(tǒng)的研究也越來越深入。更多的研究將新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、云計算結(jié)合，使得養(yǎng)老系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。

4.系統(tǒng)特色

（1）采用NB-IoT技術(shù)，NB-IoT技術(shù)具有低成本，低功耗，廣覆蓋，大連接的優(yōu)勢。NB 模組核心板支持移遠(yuǎn)推出的 BC95模塊，采用電信版 BC95-B5，它是一種高性能、低功耗的無線通信模塊。

（2）可以與醫(yī)院進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，建立覆蓋各級醫(yī)院和家庭的無線遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，同時監(jiān)測不同患者的血壓、脈搏、心率和呼吸，可實現(xiàn)醫(yī)學(xué)監(jiān)護(hù)信息的遠(yuǎn)程傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程診斷。國內(nèi)的醫(yī)院也可以通過該系統(tǒng)，了解就醫(yī)的病患治療后的狀況，并對病患進(jìn)行提醒。

（3）在監(jiān)測老年人身體特征參數(shù)的同時，還可以保障老年人的家居安全，當(dāng)意外發(fā)生時，第一時間通知到監(jiān)護(hù)人，避免出現(xiàn)嚴(yán)重后果。實現(xiàn)監(jiān)測與防護(hù)的一體化。

（4）可將人“物聯(lián)網(wǎng)化”，這是在大數(shù)據(jù)時代，除了手機(jī)外收集用戶各項數(shù)據(jù)的重要環(huán)節(jié)?；贜B-IoT的老年人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是一種全新的數(shù)據(jù)采集方式。該系統(tǒng)可以隨時收集用戶的生理數(shù)據(jù)，上傳到每個人的專有數(shù)據(jù)庫，并通過數(shù)據(jù)挖掘和一系列技術(shù)對其進(jìn)行分析，從而預(yù)測人體的未來狀態(tài)。

（5）利用收集到的步態(tài)特征數(shù)據(jù)，通過已有算法預(yù)測老年人患病的概率，可有效避免疾病的發(fā)生和病情的惡化。

5.總結(jié)

本系統(tǒng)采用的通信技術(shù)是窄帶物聯(lián)網(wǎng)。其支持待機(jī)時間長，很適合用于監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)將最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于老年安全健康管理，同時設(shè)備端具有低功耗、實時移動性和信息采集的及時有效性等創(chuàng)新之處。本系統(tǒng)可以對老年人的健康進(jìn)行有效管理，并對解決醫(yī)療方面的問題提供數(shù)據(jù)支持。

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