基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療終端及其系統(tǒng)設(shè)計

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)透傳達(dá)到終端數(shù)據(jù)庫，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，為社會提供更便捷的醫(yī)療健康服務(wù)。

關(guān)鍵詞：個人終端；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)無法滿足人們對健康醫(yī)療的需求，同時傳統(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)必然成為未來社會一個重要的發(fā)展方向。為了實現(xiàn)患者對自身身體狀況與醫(yī)療信息的了解，本文針對患者設(shè)計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，通過云平臺對數(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

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

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，F(xiàn)OTA功能的增加方便了固件的升級。

硬件電路的設(shè)計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)測模塊

監(jiān)測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)測模塊、人體溫度監(jiān)測模塊和心電圖監(jiān)測模塊[4]。

控制模塊為STM32f103zet6芯片，通過STM32單片機(jī)與各個傳感器模塊進(jìn)行連接，因為各傳感器模塊與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)行脈搏的測量，光電容積法的基本原理是利用人體組織在血管搏動時造成的透光率不同來進(jìn)行脈搏和血氧濃度飽和測量的。采取這種測量方法，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出數(shù)據(jù)。MAX30102模塊有7個引腳端，分別為VCC電源端、GND地端、I2C總線的時鐘（SCL）與數(shù)據(jù)（SDA）端、INT芯片中斷端、剩余2個端口已內(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，時鐘與數(shù)據(jù)端與GPIO口B組的9號10號引腳連接，通過GPIO仿真I2C來控制。INT中斷端與GPIO口B組的5號引腳連接。

人體溫度監(jiān)測模塊選用MAX30205模塊，該傳感器利用高分辨率、-、模＼數(shù)轉(zhuǎn)換器將溫度測量值直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，當(dāng)測量溫度在37～39 ℃時，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個引腳端，為了方便開發(fā)，僅適用其中4個端口，電源端、地端、I2C總線的時鐘（SCL）與數(shù)據(jù)（SDA）端。如果需要設(shè)置報警溫度，可以使用報警輸出端[5]。

心電圖監(jiān)測模塊選用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)脫落檢測端（LO-與LO+），占用單片機(jī)3個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

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OneNet相連。在與OneNet平臺連接之前，必須先在平臺上注冊產(chǎn)品設(shè)備，通過國際移動用戶識別碼（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）和國際移動設(shè)備識別碼（International Mobile Equipment Identity，IMEI）來確定設(shè)備與平臺連接的唯一性。

NB-IoT模組與平臺的連接的主要流程如下。

（1）通過OneNet提供的軟件生成注冊碼，主控芯片通過串口向模組發(fā)送注冊碼進(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，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)起登錄請求，在30 s內(nèi)若為成功登錄則會上報登陸失敗的通知。

（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。設(shè)備與OneNet平臺連接之后即可通過平臺遠(yuǎn)程查看設(shè)備的情況，模組上報的所有數(shù)據(jù)都由OneNet平臺接受，通過平臺的數(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)庫中，方便軟件的調(diào)取[7]。

NB-IoT與平臺連接流程如圖4所示。

3.2 監(jiān)測模塊軟件設(shè)計

監(jiān)測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)測軟件

監(jiān)測軟件由QT軟件進(jìn)行開發(fā)，監(jiān)測軟件包括用戶登錄、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，用戶數(shù)據(jù)包括用戶名、密碼以及使用設(shè)備中NB-IoT模組的國際移動設(shè)備識別碼進(jìn)行綁定，是用戶在登錄之后對應(yīng)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，調(diào)取用戶使用設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

軟件可以從數(shù)據(jù)庫中調(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、體溫在一段時間內(nèi)的變化趨勢。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)基于NB-IoT傳輸，通過移動OneNet平臺使終端設(shè)備方便快捷連入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)終端設(shè)備通過NB-IoT遠(yuǎn)程監(jiān)測數(shù)據(jù)變化。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡單，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。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王宇.物聯(lián)網(wǎng)Android平臺可穿戴醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].山西電子技術(shù)，2017（3）：27-30.

[2]李玲，郭曉玲，武仁杰，等.基于NB-IoT及ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].通信技術(shù)，2019（1）：234-238.

[3]潘磊磊，張桂青，田崇翼，等.基于NB-IoT的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2019（1）：25-30，36.

[4]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平臺的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：51-52.

[5]陳丹.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2019（1）：178-179.

[6]洪少真.智慧醫(yī)療的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與對策探究—以G省F市為例[J].廈門廣播電視大學(xué)學(xué)報，2019（1）：92-96.

[7]唐李麗.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧醫(yī)療技術(shù)與運(yùn)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：7.

[8]羅杰.基于移動互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)的智慧醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（24）：132.