基于NB-IoT 的卧床老人监测系统

严玉双，邓成中，任洋，陈渝荐

（西华大学机械工程学院，四川成都 610039）

随着我国人口老龄化的加重，老人养老问题受到人们的重视，老年卧床群体数量巨大且逐年递增。由于身体机能老化，卧床老人的疾病风险发生率远大于同年龄段的其他老人[1]。

目前，卧床老人的监测需求量大，针对老年人尤其是卧床老人的监测问题亟待解决[2]。市场上现有监测系统多采用蓝牙、WiFi 和ZigBee 技术，但这些无线通信技术通信距离短，并且系统的功耗大、成本高。而NB-IoT 是IoT 领域一个新兴的技术，具有覆盖广、连接多、功耗低、成本低等优点[3-4]。因此，文中提出基于NB-IoT 技术的卧床老人体征及居室监测系统，使用国产GD32 控制器有效地利用物联网和传感技术[5]，降低了系统功耗和成本，在云平台上为卧床老人提供快捷、灵活、低成本的监测服务，实现了对卧床老人的远程实时监测和预警功能[6]，更好地满足卧床老人的监护需求。

1 系统总体架构

基于NB-IoT 技术的卧床老人体征及居室监测系统的总体架构包括控制部件、NB-IoT 基站、OneNET 云平台和客户端[7-8]。系统总体架构图如图1所示。

图1 系统总体架构图

控制部件以GD32 为控制器，采用传感器检测卧床老人的血压、心率、体表温度及居室环境参数并显示，数据超过设定的阈值则报警器报警[9-11]。NB-IoT 模块通过NB-IoT 基站以物联网协议与OneNET 云平台相连接，将采集到的体征及居室数据上传至OneNET 云平台，OneNET 云平台收发相应的数据。客户端可实时监测卧床老人的血压、心率及居室环境温湿度参数，并进行远程报警控制[12]。

2 系统硬件设计

基于NB-IoT 技术的卧床老人体征及居室监测系统主要包括GD32控制器模块、传感器采集模块、报警模块、显示模块、电源模块、NB-IoT 模块、OneNET 云平台和客户端[13]。系统硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件框图

2.1 GD32控制器模块设计

系统的GD32 控制器采用的是北京兆易创新生产的GD32F103C8T6 单片机。GD32 是国内开发的一款单片机，其CPU、内存、外设丰富度等各方面与STM32 没有太大差别。但是与STM32 相比，GD32 的成本更低。GD32 控制器模块主要用于处理传感器采集模块采集到的数据，并通过NB-IoT 模块上传到OneNET 云平台，以及根据接收到的云平台下发的控制命令来控制报警模块实现报警。GD32 控制器最小系统如图3 所示。

图3 GD32控制器最小系统

2.2 传感器采集模块设计

传感器采集模块主要包括体征监测模块、居室监测模块和压疮预防模块。

体征监测模块用于监测卧床老人的心率、血压和体表温度，采用的是MKB0908，主要由一颗YK1801脉搏传感器芯片、一颗HR6707 脉搏芯片、一颗HR6816增益芯片、一颗SFB9712 算法芯片和一颗WD3703 温度传感器共五颗芯片组成。脉搏传感器芯片采用光电式容积脉搏波描记（PPG）的方式感应人体的脉搏信息并加以提取，通过模拟前端芯片HR607+HR6816和算法芯片SFB9712输出血压、心率等串口信号。WD3703温度传感器通过GPIO 接口和SFB9712算法芯片相连接，从算法芯片SFB9712的串口UART输出温度数据。体征监测MKB0908模块电路原理图如图4所示。

图4 MKB0908模块电路原理图

居室监测模块包括DHT11 和MQ-2，用于监测卧室的温度、湿度和烟雾浓度。

压疮预防模块采用的是FSR 电阻式薄膜压力传感器，用于监测卧床老人臀部和关节的压力值，以此来判断卧床老人是否离床，并定时提醒翻身[14]。

2.3 NB-IoT模块设计

NB-IoT 模块由M5310A、RF 天线、SIM 卡和下载接口等组成，NB-IoT 模块电路原理图如图5 所示[15]。M5310A 模组为NB 全频段，支持UDP、TCP 协议，可使用COAP 连接电信平台、使用LWM2M 连接移动ONENET，也可使用MQTT 连接第三方服务器。系统的NB-IoT 模块使用M5310A 模组发送AT 指令，使用LwM2M 协议来实现模组接入OneNET 平台，用于将传感器采集的数据信息上传到云平台，并且接收云平台下发的控制命令。

图5 NB-IoT模块电路原理图

2.4 显示和报警模块设计

系统的显示模块采用液晶显示屏，用于显示卧床老人的血压、心率、体表温度及居室环境温湿度和烟雾浓度。报警模块通过驱动蜂鸣器和LED 灯来实现声光报警。

3 系统软件设计

系统程序流程图如图6 所示。系统上电后，对系统的时钟、定时器、显示屏、传感器和NB-IoT 模组等进行初始化[16]。系统初始化后，传感器采集卧床老人的心率、血压和体表温度及居室环境的温湿度和烟雾浓度，并将采集的卧床老人的体征及居室数据显示在显示屏上。如果采集的数据超过设定的阈值，那么报警器直接报警。同时，NB-IoT 模块发送AT 指令连接OneNET 云平台，如果连接未成功，则再次连接；如果成功连接OneNET 云平台，则M5310-A模组开始发送订阅Object、Resource 资源命令，登录到OneNET 平台。进一步地，系统开启定时器和串口中断，如果串口接收到OneNET 云平台下发的操作命令，则执行相应的操作；如果没有接收到下发命令，则等待定时时间到达，向云平台上传订阅资源的数据，云平台接收上传的数据并存储。最后，OneNET 云平台将数据同步到设置的客户端Web 网页和手机页面，方便用户观测数据和操作。

图6 系统程序流程图

4 系统测试

系统上电完成初始化之后，登录OneNET 云平台，等待NB-IoT 模块连接OneNET 云平台，成功连接后，云平台可接收到所订阅资源的数据并存储。同时，在设置的客户端Web 网页和手机页面均可以直观监测到卧床老人的高压、低压和心率曲线图，以及居室环境的温湿度值。系统经过测试运行正常，数据收发正常，各数据准确，控制报警器响应迅速。系统监测界面图如图7 所示。

图7 系统监测界面图

5 结束语

文中设计的基于NB-IoT 技术的卧床老人体征及居室监测系统，能够实时监测卧床老人的心率、血压和体表温度及居室环境的温湿度和烟雾浓度，显示采集的体征和居室数据，并通过NB-IoT 技术将数据上传至OneNET 云平台，可以远程监控以及远程控制报警。系统所采用的NB-IoT 技术和国产GD32 芯片大大降低了系统的开发周期、功耗和成本，采集的体征数据在云平台存储，便于更加准确地监测和分析卧床老人的体征情况，满足了对卧床老人的监测需求。