基于NB-IoT的新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

褚嘉雯,王亞飛,李學(xué)華，云 翔

(1.北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100192；2.北京佰才邦技術(shù)有限公司，北京 100094)

0 引言

基于可穿戴智能設(shè)備的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有助于醫(yī)護(hù)工作者根據(jù)相關(guān)醫(yī)療數(shù)據(jù)對(duì)患者進(jìn)行疾病的預(yù)防和診斷，及時(shí)采取有關(guān)措施，可有效維護(hù)人們的身體健康和生命安全。隨著5G時(shí)代的到來(lái)和物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)條件的不斷成熟，可穿戴智能設(shè)備進(jìn)入新的發(fā)展階段。尤其在新冠肺炎疫情期間，人們對(duì)于體溫、咳嗽情況等關(guān)鍵醫(yī)療參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及GPS定位等需求明顯增加，對(duì)可穿戴設(shè)備的應(yīng)用也有了新的需求。

目前可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備主要應(yīng)用于老年和兒童群體中，且絕大多數(shù)使用Wi-Fi或藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，如基于穿戴式傳感器的老人跌倒檢測(cè)系統(tǒng)[1]、兒科疾病智能聽(tīng)診設(shè)備[2]等。由于產(chǎn)品定價(jià)較高，且Wi-Fi或藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足大連接密度、低功耗、高兼容性等業(yè)務(wù)需求[3]，這些設(shè)備難以大范圍普及應(yīng)用。

納入5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(narrow band internet of things，NB-IoT)聚焦于廣域物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，具有大連接、廣覆蓋、低成本、低功耗的特點(diǎn)，應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)[4]。作為窄帶無(wú)線(xiàn)接入的全新空口技術(shù)，NB-IoT可以與現(xiàn)有的蜂窩網(wǎng)絡(luò)共存，無(wú)需新建核心網(wǎng)，有利于降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，加快部署速率。在NB-IoT下，智能可穿戴設(shè)備開(kāi)機(jī)注冊(cè)成功后即可自動(dòng)接入服務(wù)器，避免了Wi-Fi復(fù)雜的連接配置操作，極大提升設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)率。同時(shí)，在疫情監(jiān)測(cè)人群基數(shù)龐大時(shí)，NB-IoT能夠有效解決智能可穿戴設(shè)備面臨的功耗和連接密度問(wèn)題。

因此，為解決傳統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的高成本、低可靠等問(wèn)題，本文提出基于NB-IoT技術(shù)的新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)綜合可穿戴傳感器技術(shù)以及NB-IoT通信技術(shù)，在OneNET云平臺(tái)中采用嵌入式軟硬件協(xié)同技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)在Web界面對(duì)新冠肺炎關(guān)鍵醫(yī)療參數(shù)的監(jiān)測(cè)和警示燈的遠(yuǎn)程控制。

1 需求分析與系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

傳統(tǒng)使用Wi-Fi、藍(lán)牙等傳輸方式的健康監(jiān)測(cè)設(shè)備組網(wǎng)復(fù)雜、可靠性低，且多數(shù)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備需由開(kāi)發(fā)者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況獨(dú)立開(kāi)發(fā)后臺(tái)服務(wù)器，增加了開(kāi)發(fā)難度，延長(zhǎng)了開(kāi)發(fā)周期。此外，盡管時(shí)延敏感度低的可穿戴設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求低，但大量設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)的處理對(duì)系統(tǒng)的連接密度和能耗控制等提出了很高的要求。根據(jù)表1常用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的性能對(duì)比可知，NB-IoT技術(shù)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、連接密度大、可靠性高、功耗低等特點(diǎn)，能有效彌補(bǔ)現(xiàn)有使用Wi-Fi、藍(lán)牙技術(shù)的健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在待機(jī)時(shí)間、可接入設(shè)備量、安全性等方面的不足，能夠滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

本文采用NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)進(jìn)行新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分利用OneNET平臺(tái)提供的API接口和標(biāo)準(zhǔn)接入?yún)f(xié)議，降低了開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期。系統(tǒng)的主要功能有：

1) 通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)咳嗽、心率、血壓、體表溫度、GPS等數(shù)據(jù)的采集。

2) 解析采集到的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)下行命令控制警示燈的工作狀態(tài)，采用NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將用戶(hù)的健康數(shù)據(jù)發(fā)送至OneNET云平臺(tái)，并在客戶(hù)端上進(jìn)行展示，方便使用者查看。

3) 根據(jù)客戶(hù)端信息的顯示情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)警示燈的遠(yuǎn)程控制和健康監(jiān)測(cè)。

表1 常用無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)性能對(duì)比

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

借鑒參考文獻(xiàn)[7],設(shè)計(jì)新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、通信層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶(hù)層4層結(jié)構(gòu)組成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)

從左至右第1層為數(shù)據(jù)采集層，主要包括由主控制器、健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和GPS傳感器、警示燈、電源模塊、NB-IoT通信模塊等組成的NB終端。其中，健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊和GPS傳感器將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在控制器中，并將解析后的數(shù)據(jù)利用NB-IoT模塊發(fā)送到移動(dòng)NB-IoT基站。該層是系統(tǒng)的底層核心部分。

第2層為通信層，數(shù)據(jù)采集層采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)NB-IoT通信模塊發(fā)送到移動(dòng)NB-IoT基站，再由基站經(jīng)由核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至OneNET云平臺(tái)。該層是將物聯(lián)網(wǎng)與窄帶通信技術(shù)融合的核心。

第3層為應(yīng)用服務(wù)層，負(fù)責(zé)接收來(lái)自NB-IoT基站發(fā)送的數(shù)據(jù)，并配置傳感器資源參數(shù)將數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)上，云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，最終實(shí)現(xiàn)資源的訂閱，以及終端執(zhí)行器的遠(yuǎn)程控制。

第4層為用戶(hù)層，該層對(duì)應(yīng)用服務(wù)層轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取調(diào)用和下行命令轉(zhuǎn)發(fā)，管理人員可以通過(guò)Web操作界面對(duì)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要指健康監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集層的功能，即利用可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的位置上報(bào)、健康信息采集與處理等，并將采集數(shù)據(jù)上傳至NB-IoT基站，實(shí)現(xiàn)通信模塊通信連接[8]。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主控制器為STM32F103RET6單片機(jī)。健康監(jiān)測(cè)模塊包含有效判斷跌倒和監(jiān)測(cè)咳嗽情況的ADXL345三軸加速度傳感器，以及用來(lái)檢測(cè)佩戴人員心率、血壓、體表溫度的云電高科MKB0908智能穿戴傳感器。其中ADXL345傳感器通過(guò)檢測(cè)佩戴者的空間加速度判別其當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)佩戴者發(fā)生跌倒或咳嗽等反應(yīng)時(shí)，傳感器將上報(bào)監(jiān)測(cè)到的身體波動(dòng)數(shù)據(jù)。主控制器采用串口通信的方式接收健康監(jiān)測(cè)模塊和GPS定位模塊數(shù)據(jù)，并通過(guò)另一個(gè)UART向NB-IoT通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，然后采用NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將接收到的數(shù)據(jù)傳至IoT云平臺(tái)。警示燈工作狀態(tài)由輸出控制模塊輸出電信號(hào)的值決定[9]。電源模塊采用AC/DC開(kāi)關(guān)電源將用戶(hù)輸入的220 V交流電輸出為5 V直流電為各類(lèi)傳感器供電，并經(jīng)過(guò)DC/DC將電壓降至3.3 V，為主控制器供電[10]。

NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊由M5310-A NB模組、SIM卡座、調(diào)試串口、天線(xiàn)、復(fù)位鍵、LED指示燈組成，電源模塊負(fù)責(zé)提供5 V工作電壓。本系統(tǒng)中M5310-A模塊采用Band 8的工作頻段，適用于對(duì)時(shí)延不敏感的低速率數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。M5310-A是LCC封裝的貼片式模塊，尺寸僅有19 mm×18 mm×2.2 mm。它內(nèi)置UDP/CoAP等數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及擴(kuò)展AT指令，模塊采用了低功耗技術(shù)，電流功耗在PSM模式低至3 μA。M5310-A模組具體功能如圖3所示。

圖3 M5310-A模組功能

無(wú)線(xiàn)通信模塊將主控制器收集并處理過(guò)的各類(lèi)傳感器數(shù)據(jù)以及警示燈工作狀態(tài)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至IoT云平臺(tái)，并接收用戶(hù)自主下發(fā)的指令。NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括NB終端與IoT云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)，即系統(tǒng)總體架構(gòu)的通信層中接入NB基站的通信協(xié)議，以及NB終端主控制器的軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用服務(wù)層中IoT云平臺(tái)的接入流程以及用戶(hù)層中客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在OneNET平臺(tái)開(kāi)發(fā)時(shí)需添加對(duì)應(yīng)的NB-IoT設(shè)備，NB終端與OneNET平臺(tái)的通信依靠基于NB-IoT的LwM2M協(xié)議和CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。LwM2M協(xié)議具有高效率、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，是設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的應(yīng)用層協(xié)議。傳輸層協(xié)議采用支持?jǐn)?shù)據(jù)重傳、適用于低功耗場(chǎng)景的CoAP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

LwM2M作為應(yīng)用層的協(xié)議，在LWM2M Protocol中定義了一些邏輯操作，比如讀、寫(xiě)、執(zhí)行、訂閱等，用于對(duì)傳感器以及傳感器屬性進(jìn)行標(biāo)識(shí)?；赨DP協(xié)議的CoAP作為傳輸層協(xié)議，是一種面向網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議。CoAP基于REST交互，可以用來(lái)訪(fǎng)問(wèn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。COAP根據(jù)IPSO的規(guī)范對(duì)資源進(jìn)行抽象定義，遵循UDP基本的協(xié)議報(bào)文格式。同時(shí)由于UDP作為面向非連接的協(xié)議具有傳輸不可靠性，因此CoAP帶有重傳機(jī)制，并且能夠發(fā)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中常規(guī)的冗余，具有更好的資源優(yōu)化方式。

此外，由于本系統(tǒng)采用的NB終端已內(nèi)置與OneNET平臺(tái)進(jìn)行交互的SDK，因此通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令便可建立UDP連接。在NB終端成功獲取Bootstrap服務(wù)器、返回LwM2M接入服務(wù)器地址和端口后，終端設(shè)備會(huì)自動(dòng)完成接入OneNET平臺(tái)的操作。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)采用的NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)中，健康數(shù)據(jù)從主控制器通過(guò)UART發(fā)送給NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊，之后通過(guò)CoAP方式與移動(dòng)NB-IoT基站進(jìn)行通信，再由基站通過(guò)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至OneNET云平臺(tái)[12]。

終端的軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示，系統(tǒng)上電啟動(dòng)后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化操作。首先是主控制器單片機(jī)的初始化。其次是模塊初始化，包括NB-IoT通信模塊和各傳感器的初始化。之后通過(guò)定時(shí)器對(duì)各傳感器信息進(jìn)行采集、解析和存儲(chǔ)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到NB-IoT模塊，進(jìn)而上傳至IoT云平臺(tái)。

圖5 終端軟件設(shè)計(jì)流程

3.3 IoT云平臺(tái)

在應(yīng)用服務(wù)層中，本系統(tǒng)采用中國(guó)移動(dòng)OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。OneNET是中國(guó)移動(dòng)面向物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的PaaS級(jí)開(kāi)放云平臺(tái)。該平臺(tái)提供豐富的終端接入?yún)f(xié)議及API接口[13]，能夠有效降低設(shè)備接入與連接的開(kāi)發(fā)難度，大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部署時(shí)間，為智能硬件、智慧城市等物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景提供方便快捷的開(kāi)發(fā)部署方案。圖6為OneNET接入流程。

圖6 OneNET接入流程

3.4 客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)

用戶(hù)層采用Web操作界面?？蛻?hù)端軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)目的是使OneNET平臺(tái)對(duì)接物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，對(duì)于終端上報(bào)到OneNET云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通過(guò)API接口進(jìn)行獲取、解析、存儲(chǔ)操作，并將數(shù)據(jù)顯示在Web應(yīng)用程序中。對(duì)于患者和醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)，可以使其擁有專(zhuān)屬的操作平臺(tái)，不必經(jīng)過(guò)OneNET平臺(tái)查看數(shù)據(jù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)增強(qiáng)使用者的操作便捷性?？蛻?hù)端軟件平臺(tái)操作的流程如圖7所示。

圖7 客戶(hù)端軟件設(shè)計(jì)流程

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的有效性，將可穿戴的NB終端佩戴在測(cè)試者身上，進(jìn)行新冠肺炎關(guān)鍵醫(yī)療數(shù)據(jù)的采集工作。在OneNET云平臺(tái)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)NB終端IMEI號(hào)的設(shè)備后，以100 s為周期將數(shù)據(jù)上傳至云端，并利用json技術(shù)，使用OneNET平臺(tái)中URL對(duì)接設(shè)備API，利用HTTP將數(shù)據(jù)推送至客戶(hù)端Web界面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4.1 數(shù)據(jù)上傳下發(fā)測(cè)試

4.1.1 數(shù)據(jù)上傳測(cè)試

首先創(chuàng)建傳感器的相關(guān)資源，配置資源屬性后，設(shè)備攜帶相應(yīng)資源列表建立LWM2M通信,服務(wù)器端自主訂閱設(shè)備資源列表中所有資源。在用戶(hù)周期性地上傳某個(gè)資源的傳感器值時(shí)，需將該資源的flag屬性設(shè)置為NBIOT_UPDATED，程序會(huì)主動(dòng)將所訂閱資源的傳感器值按照指定時(shí)間間隔上傳至ONENet中[14]。如圖8所示，在主函數(shù)中解析溫濕度傳感器的值，進(jìn)入res_update函數(shù)中，首先將temp資源的狀態(tài)設(shè)置為NBIOT_UPDATED，然后再周期性地接收溫濕度傳感器數(shù)據(jù)。

圖8 數(shù)據(jù)上傳至IoT云平臺(tái)關(guān)鍵代碼

測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)的功能需求，在大量醫(yī)療數(shù)據(jù)上傳至云端的情況下，采用NB-IoT技術(shù)具有低時(shí)延、高可靠、低功耗的持續(xù)工作能力。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器值在OneNET平臺(tái)上的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)如圖9所示。

圖9 健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器值在OneNET平臺(tái)上的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

4.1.2 數(shù)據(jù)下發(fā)測(cè)試

客戶(hù)端發(fā)送下行命令至OneNET平臺(tái)，并由云平臺(tái)轉(zhuǎn)發(fā)至NB終端，下行命令被NB終端緩存起來(lái)，方便程序直接從緩存區(qū)獲取下行控制命令，在設(shè)備端完成指令解析后，會(huì)自動(dòng)調(diào)用該命令對(duì)應(yīng)資源中的write鉤子函數(shù)完成信令下發(fā)的相關(guān)操作。圖10為設(shè)置Boolean類(lèi)型警示燈的工作狀態(tài)。

圖10 控制警示燈亮滅的關(guān)鍵代碼

4.2 Web界面展示

客戶(hù)端的Web界面通過(guò)平臺(tái)提供的API接口進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)取和下行控制，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)警示燈工作狀態(tài)的控制和健康監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)顯示。圖11為Web顯示界面，通過(guò)該界面可以實(shí)現(xiàn)佩戴可穿戴設(shè)備者健康情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并遠(yuǎn)程控制警示燈，節(jié)省人力物力的同時(shí)，提高醫(yī)護(hù)工作者的工作效率。

圖11 Web顯示界面

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于NB-IoT的新冠肺炎健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有可靠性高、功耗低、連接密度大、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)鞲衅鞑杉臄?shù)據(jù)利用NB-IoT技術(shù)發(fā)送至健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴者相關(guān)健康參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，以及警示燈的智能監(jiān)測(cè)及控制。該系統(tǒng)不僅面向智慧醫(yī)療的發(fā)展需求，同時(shí)，與傳統(tǒng)方案相比具有一定的普適性，可擴(kuò)展至智能抄表、智慧工業(yè)等應(yīng)用場(chǎng)景，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。