陸仁杰 劉巖 孫新棋 馮月芹

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展，NB-IoT技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。文章設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT技術(shù)的終端設(shè)備，通過傳感器采集用戶的生理參數(shù)，由單片機(jī)透?jìng)鬟_(dá)到終端數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶能夠通過網(wǎng)頁、微信小程序等途徑遠(yuǎn)程獲取受監(jiān)測(cè)者的采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)滿足便捷、快速、精確等多方面要求，能夠作為醫(yī)療的輔助設(shè)備，為社會(huì)提供更便捷的醫(yī)療健康服務(wù)。

關(guān)鍵詞：個(gè)人終端；智慧醫(yī)療；NB-IoT；物聯(lián)網(wǎng)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們正致力與智慧城市、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等其他智慧行業(yè)的建設(shè)。由于傳統(tǒng)的醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)無法滿足人們對(duì)健康醫(yī)療的需求，同時(shí)傳統(tǒng)的醫(yī)療操作復(fù)雜，信息封閉，患者無法了解自身的情況，造成了醫(yī)患之間的矛盾，智慧醫(yī)療的建設(shè)必然成為未來社會(huì)一個(gè)重要的發(fā)展方向。為了實(shí)現(xiàn)患者對(duì)自身身體狀況與醫(yī)療信息的了解，本文針對(duì)患者設(shè)計(jì)的硬件終端是智慧醫(yī)療建設(shè)中尤為重要的一環(huán)。通過患者終端能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享，通過云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)的處理，使醫(yī)療機(jī)構(gòu)制定正確完善的醫(yī)療方案[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)以STM32為主控制器，選取中移物聯(lián)網(wǎng)的M5310-A（NB-IoT）模組作為無線通信模塊，主控制器控制生理參數(shù)采集傳感器，對(duì)人體的心率、血氧、體溫等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)串口傳送到NB-IoT模組，再由NB-IoT模組發(fā)送到基站，最后由基站傳送到終端云服務(wù)器，由云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理，用戶使用客戶端軟件來查看數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件總體設(shè)計(jì)

2.1 NB-IoT通信模塊

NB-IoT模塊選用中移物聯(lián)網(wǎng)公司的M5310-A模組，工作電壓為3.1～4.2 V，典型值為3.6 V，通過串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該模組支持eSIM和OneNet傳輸協(xié)議，具有低功耗、高通信傳輸速率的特點(diǎn)，F(xiàn)OTA功能的增加方便了固件的升級(jí)。

硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括電源供電模塊、串口通信模塊、天線模塊等[2]。

電源采取5 V直流電源，為了保證模塊電壓保持在3.1～4.2 V，采用Micrel公司的低壓差線性穩(wěn)壓器，型號(hào)為MIC29302WU，該穩(wěn)壓器的輸出電壓為3.6 V，滿足模組的供電電壓。為了保證電源的穩(wěn)定性，在電源電路輸出端放置一個(gè)穩(wěn)壓管，反向擊穿電壓為5.1 V，耗散功率為1 W以上。電源電路如圖2所示。

模組擁有2個(gè)串口端，分別為主串口端和調(diào)試串口端，調(diào)試串口通過RS232電平轉(zhuǎn)換電路與電腦端連接，主串口端與STM32串口端進(jìn)行連接。主串口端用以AT指令的傳送，支持的波特率為9 600、115 200。調(diào)試串口端僅用作軟件調(diào)試，調(diào)試波特率配置為921 600 bps。

M5310-A提供了一個(gè)RF焊盤接口供連接外部天線。天線滿足頻率范圍在824～960 MHz/1 710～1 880 MHz，最大輸入功率5 W，輸入阻抗50 Ω，為了更好地調(diào)節(jié)天線性能，電路中預(yù)留π型匹配電路[3]。天線電路如圖3所示。

2.2 監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊由控制模塊和傳感器模塊組成，其中傳感器模塊包括脈氧、心率監(jiān)測(cè)模塊、人體溫度監(jiān)測(cè)模塊和心電圖監(jiān)測(cè)模塊[4]。

控制模塊為STM32f103zet6芯片，通過STM32單片機(jī)與各個(gè)傳感器模塊進(jìn)行連接，因?yàn)楦鱾鞲衅髂K與STM32單片機(jī)都是3.3 V供電電壓，所以無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

脈氧和心率監(jiān)測(cè)模塊選用MAX30102模塊，其I2C通信接口和電壓兼容1.8～5 V，主控芯片STM32為3.3 V電壓輸出，該傳感模塊完全能夠與主控芯片進(jìn)行正常通信。MAX30102使用光電容積法來進(jìn)行脈搏的測(cè)量，光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動(dòng)時(shí)造成的透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧濃度飽和測(cè)量的。采取這種測(cè)量方法，使用者僅需將該傳感器放置在手指、手腕或耳垂上即可便捷的測(cè)出數(shù)據(jù)。MAX30102模塊有7個(gè)引腳端，分別為VCC電源端、GND地端、I2C總線的時(shí)鐘（SCL）與數(shù)據(jù)（SDA）端、INT芯片中斷端、剩余2個(gè)端口已內(nèi)接地端無需連接。VCC端與單片機(jī)的3.3 V電源端連接，GND端與單片機(jī)地端連接，時(shí)鐘與數(shù)據(jù)端與GPIO口B組的9號(hào)10號(hào)引腳連接，通過GPIO仿真I2C來控制。INT中斷端與GPIO口B組的5號(hào)引腳連接。

人體溫度監(jiān)測(cè)模塊選用MAX30205模塊，該傳感器利用高分辨率、-、模＼數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度測(cè)量值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，當(dāng)測(cè)量溫度在37～39 ℃時(shí)，傳感器的精度為0.1 ℃，MAX30205同樣也是通過I2C接口與主控芯片連接。MAX30205與有8個(gè)引腳端，為了方便開發(fā)，僅適用其中4個(gè)端口，電源端、地端、I2C總線的時(shí)鐘（SCL）與數(shù)據(jù)（SDA）端。如果需要設(shè)置報(bào)警溫度，可以使用報(bào)警輸出端[5]。

心電圖監(jiān)測(cè)模塊選用AD8232模塊，通過醫(yī)療電極與身體相連接，電極盡量靠近心臟位置，采集數(shù)據(jù)之后傳送到軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與顯示。AD8232除常規(guī)的電源端、地端之外，需要連接輸出（OUTPUT）端，導(dǎo)聯(lián)脫落檢測(cè)端（LO-與LO+），占用單片機(jī)3個(gè)GPIO引腳。

數(shù)字型傳感器方便了數(shù)據(jù)的讀取，I2C總線接口節(jié)約了芯片的引腳，易于開發(fā)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括上位機(jī)與下位機(jī)，下位機(jī)負(fù)責(zé)傳感器的控制與數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收與處理[6]。

3.1 NB-IoT遠(yuǎn)程傳輸

NB-IoT模組上電后自動(dòng)連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，通過AT指令使模組與中移物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)OneNet相連。在與OneNet平臺(tái)連接之前，必須先在平臺(tái)上注冊(cè)產(chǎn)品設(shè)備，通過國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）和國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼（International Mobile Equipment Identity，IMEI）來確定設(shè)備與平臺(tái)連接的唯一性。

NB-IoT模組與平臺(tái)的連接的主要流程如下。

（1）通過OneNet提供的軟件生成注冊(cè)碼，主控芯片通過串口向模組發(fā)送注冊(cè)碼進(jìn)行設(shè)備的創(chuàng)建。

（2）訂閱資源配置，根據(jù)LWM2M協(xié)議選擇Object和Resource的ID編號(hào)，由AT指令A(yù)T+MIPADDOBJ與AT+MIPLNOTIFY進(jìn)行參數(shù)資源配置。

（3）主控芯片通過串口發(fā)送AT指令A(yù)T+MIPLOPEN=0，30使模組發(fā)起登錄請(qǐng)求，在30 s內(nèi)若為成功登錄則會(huì)上報(bào)登陸失敗的通知。

（4）登錄完成之后，即可通過AT指令A(yù)T+MIPLNOTIFY來進(jìn)行數(shù)據(jù)的上報(bào)。設(shè)備與OneNet平臺(tái)連接之后即可通過平臺(tái)遠(yuǎn)程查看設(shè)備的情況，模組上報(bào)的所有數(shù)據(jù)都由OneNet平臺(tái)接受，通過平臺(tái)的數(shù)據(jù)推送服務(wù)即可將數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)器，將所有數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便軟件的調(diào)取[7]。

NB-IoT與平臺(tái)連接流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊程序由初始化程序，傳感器控制程序，與NB-IoT模組串口通信程序等組成。

監(jiān)測(cè)模塊上電之后先進(jìn)行初始化，保證串口通信正常。先由主控芯片向NB-IoT模組發(fā)送AT指令，通過NB-IoT模組的應(yīng)答信息判斷模組是否正常連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。再完成正常接入網(wǎng)絡(luò)之后，通過OLED顯示屏顯示程序菜單，通過按鍵來選擇需要開啟的傳感器，主控芯片將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給NB-IoT模組，同時(shí)也將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理在顯示屏上顯示[8]。底層模塊工作流程如圖5所示。

3.3 監(jiān)測(cè)軟件

監(jiān)測(cè)軟件由QT軟件進(jìn)行開發(fā)，監(jiān)測(cè)軟件包括用戶登錄、數(shù)據(jù)顯示、遠(yuǎn)程控制等模塊。

通過遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用戶數(shù)據(jù)包括用戶名、密碼以及使用設(shè)備中NB-IoT模組的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼進(jìn)行綁定，是用戶在登錄之后對(duì)應(yīng)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)取用戶使用設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

軟件可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取最近一周的數(shù)據(jù)，通過軟件處理使數(shù)據(jù)可視化，觀察心率、心電圖、體溫在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)基于NB-IoT傳輸，通過移動(dòng)OneNet平臺(tái)使終端設(shè)備方便快捷連入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備通過NB-IoT遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，通信準(zhǔn)確可靠，便捷的使用極其適合中老年人，具有一定的應(yīng)用前景，能夠產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益。

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