基于LoRa技術(shù)的便攜式健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張金潤(rùn)， 胡森榮， 洪 炎

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安穩(wěn) 淮南 232001)

0 引 言

隨著社會(huì)人口老齡化問題的日益嚴(yán)重，老年護(hù)理工作進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。問題在逐漸改善的衛(wèi)生服務(wù)利用率[1]的背景下依靠更好的政策進(jìn)一步解決。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，大多數(shù)研究人員在設(shè)計(jì)或改善物聯(lián)網(wǎng)無線通信方案時(shí)常使用ZigBee和GPRS等技術(shù)[2]。例如：馬恒等[3]基于體域網(wǎng)的個(gè)人健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)利用ZigBee和藍(lán)牙無線通信協(xié)議技術(shù)來實(shí)現(xiàn)監(jiān)護(hù)。針對(duì)傳統(tǒng)老年監(jiān)控護(hù)理系統(tǒng)功耗大、實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)傳輸效率低等問題，提出一種基于低功耗廣域網(wǎng)的智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在養(yǎng)老社區(qū)環(huán)境中構(gòu)建LoRa無線傳感網(wǎng)絡(luò)[4]，設(shè)計(jì)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)社區(qū)中老年人的身體健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。系統(tǒng)能提供一定范圍的數(shù)據(jù)感知，數(shù)據(jù)可靠傳輸，終端數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、處理、訪問等功能。研究在節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性等性能均得到提升，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定檢測(cè)老年人的相關(guān)體征健康狀態(tài)，這對(duì)中老年人的身體健康監(jiān)控護(hù)理具有很大的現(xiàn)實(shí)意義，能滿足絕大部分中老年人的基本需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)集成身體健康監(jiān)測(cè)以及環(huán)境檢測(cè)功能。由傳感器模塊、定位模塊、STM32主控模塊、LoRa網(wǎng)關(guān)和終端應(yīng)用等部分組成。其中，心率血氧傳感器、體溫傳感器、紫外線傳感器和定位模塊構(gòu)成終端節(jié)點(diǎn)由MCU驅(qū)動(dòng)用于檢測(cè)體征數(shù)據(jù)與位置信息；通過LoRa網(wǎng)關(guān)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的通信。LoRa網(wǎng)關(guān)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過無線通信發(fā)送到社區(qū)老人安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心進(jìn)行儲(chǔ)存與處理，并利用定位模塊用戶在上位機(jī)查看老人在社區(qū)中的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)老人健康監(jiān)測(cè)[5]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中選用STM32F103單片機(jī)[6]作為核心控制器，用來驅(qū)動(dòng)心率血氧傳感器、體溫傳感器、紫外線傳感器和定位模塊，獲取檢測(cè)到的人體特征數(shù)據(jù)與位置信息。終端節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖1所示。

圖1 終端節(jié)點(diǎn)硬件原理框圖Fig. 1 Schematic diagram of terminal node hardware

在設(shè)計(jì)中采用心率血氧傳感器來監(jiān)測(cè)老人平時(shí)的心率數(shù)據(jù)以及血氧含量，采用MAX301模塊[7]。模塊集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)儀傳感器的模塊，為了實(shí)現(xiàn)低功耗可通過控制器向其發(fā)送中斷指令來實(shí)現(xiàn)開關(guān)。

在設(shè)計(jì)中采用MAX302人體溫度傳感器模塊來檢測(cè)體溫。傳感器可以高精度測(cè)量人體溫度，在37～39 ℃范圍內(nèi)精度可達(dá)到0.1 ℃，其溫度分辨率為16位。傳感器利用其模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，方便數(shù)據(jù)的采集。

為檢測(cè)室外紫外線指數(shù)是否適合老人外出活動(dòng)，設(shè)計(jì)中選用Si1145芯片的紫外線傳感器。芯片內(nèi)置ADC，采用標(biāo)準(zhǔn)IIC接口，輸出大氣中紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)，可測(cè)量大氣中紫外線以及環(huán)境光強(qiáng)。

為準(zhǔn)確掌握社區(qū)內(nèi)老人的活動(dòng)位置，設(shè)計(jì)采用SKG09A模塊用于獲取位置信息。定位模塊電路如圖2所示。模塊針對(duì)不同定位需要可選擇適合健康低功耗模式，設(shè)計(jì)中采用跟蹤式定位需要，在模式下其跟蹤電流僅為5 mA，可以通過識(shí)別運(yùn)動(dòng)速度來調(diào)節(jié)功耗進(jìn)行定位。模塊通過UART接口與MCU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在檢測(cè)到老人身體健康狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，通過應(yīng)用程序來獲取老人相應(yīng)的地理位置，達(dá)到及時(shí)處理功能。

圖2 定位模塊電路圖Fig. 2 Circuit diagram of positioning module

2.2 通信模塊設(shè)計(jì)

由于人體健康數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)采集處于復(fù)雜環(huán)境中，為解決布線問題采用LoRa調(diào)制集成微控制器SX1278作為調(diào)制解調(diào)模塊[8]。通信模塊電路如圖3所示。目前芯片的發(fā)射功率可高達(dá) 20 dBm，基本滿足本設(shè)計(jì)的需要，在設(shè)計(jì)中LoRa網(wǎng)關(guān)用于云和LoRa設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。在接收來自設(shè)備數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，通過UDP協(xié)議[9]將數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器儲(chǔ)存和處理；在接收來自服務(wù)器端數(shù)據(jù)指令時(shí)，先通過傳輸一段數(shù)據(jù)指令到調(diào)制解調(diào)模塊，再發(fā)送數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)備份需要在低功耗的環(huán)境中運(yùn)行，所以選擇A類模式作為L(zhǎng)oRa裝置工作模式。

圖3 通信模塊電路圖Fig. 3 Circuit diagram of communication module

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中為實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)高效、低功耗功能，通過調(diào)整系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)工作周期，在工作時(shí)喚醒終端節(jié)點(diǎn)，無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)來平衡能源功耗和網(wǎng)絡(luò)性能。通信網(wǎng)絡(luò)的軟件實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig. 4 Data transmission flow chart

數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送具體步驟如下：首先，喚醒單片機(jī)，傳感器中獲取數(shù)據(jù)并記錄，待傳感器完成數(shù)據(jù)的收集后通過負(fù)載開關(guān)將其關(guān)閉。然后，通過發(fā)送初始數(shù)據(jù)喚醒LoRa裝置，待喚醒后傳輸檢測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送后，讓LoRa裝置再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒。最后調(diào)整系統(tǒng)的工作周期，等待每一次的數(shù)據(jù)收集工作。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸算法設(shè)計(jì)

為了避免通信擁擠，實(shí)現(xiàn)高效通信。在設(shè)計(jì)中根據(jù)通信優(yōu)先級(jí)的不同，采用節(jié)點(diǎn)通信自適應(yīng)機(jī)制。在不同信號(hào)通信中采用選取優(yōu)化簇頭，通過數(shù)據(jù)融合來降低網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的通信量，并通過合理優(yōu)化分配無線通信協(xié)議[10]，使其滿足范圍大的社區(qū)養(yǎng)老的需求。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能耗公式：

E=BT·(ET-bit+ER-bit)

知，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)覆蓋的區(qū)域?yàn)長(zhǎng)×L，區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)總個(gè)數(shù)為N，簇頭個(gè)數(shù)為M，則單個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)為N/M。在每個(gè)簇內(nèi)，普通節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)酱仡^平均需要P跳，節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)為Qbit，則數(shù)據(jù)總量為

其中α為每簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)的相關(guān)性，K為網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)到sink節(jié)點(diǎn)的平均跳數(shù)，由簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)到簇頭的平均跳數(shù)為P：

(1)

由式(1)得結(jié)果為

(2)

通過分析知，在滿足α=M/N時(shí)，可減少網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信量。

在系統(tǒng)中終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通道的擴(kuò)頻因子根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度和信噪比調(diào)整。據(jù)實(shí)驗(yàn)知，接收信號(hào)強(qiáng)度與信噪比越高，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)距離網(wǎng)關(guān)越近，為保證數(shù)據(jù)率高則分配的擴(kuò)頻因子要低。

TRSSI=-(A+10nlog10d)

(3)

根據(jù)式(3)確定擴(kuò)頻因子，其中RSSI是接收信號(hào)強(qiáng)度，d計(jì)算所得距離(單位：m)，A是發(fā)射端和接收端相隔一個(gè)單位距離時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，n是環(huán)境衰減因子。

據(jù)研究表明:LoRa網(wǎng)絡(luò)中的流量大小與終端節(jié)點(diǎn)的在線量成正比，且與節(jié)點(diǎn)延時(shí)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)次數(shù)也成正比。文中，LoRa網(wǎng)絡(luò)流量均值(average network traffic)如式(4)所示，式中的DC是網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)在傳輸過程中發(fā)生延時(shí)和碰撞的計(jì)量總和。設(shè)網(wǎng)絡(luò)流量(NT)的閾值為高(QH)、低(QL)，因此，網(wǎng)絡(luò)流量的判定可依據(jù)式(5)。

(4)

(5)

在設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同時(shí)期數(shù)據(jù)差異采取不同的上傳方案，通過選擇合適的擴(kuò)頻因子(SF)，提高數(shù)據(jù)率，縮短數(shù)據(jù)上傳時(shí)間。

更優(yōu)的傳輸路徑?jīng)Q定這數(shù)據(jù)包的傳輸效率，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇笮【駬癯龈鼉?yōu)的傳輸路徑。

步驟1：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量判定為-1時(shí)，系統(tǒng)選擇最近的簇頭，通過單線路徑上傳數(shù)據(jù)。

步驟2：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量判定為0時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)流量自適應(yīng)傳輸機(jī)制，提高數(shù)據(jù)波動(dòng)大的節(jié)點(diǎn)信道競(jìng)爭(zhēng)，達(dá)到優(yōu)先傳輸，其他數(shù)據(jù)較穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)偵聽到信道忙時(shí)停止傳輸。

步驟3：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)流量判定為1時(shí)，系統(tǒng)采用多通道自適應(yīng)傳輸，通過競(jìng)爭(zhēng)選擇合適的簇頭，優(yōu)先級(jí)高的競(jìng)爭(zhēng)先傳輸，且網(wǎng)關(guān)返回確認(rèn)偵。

步驟4：如果數(shù)據(jù)傳輸失敗則返回并再次分配合適的SF進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸直至數(shù)據(jù)傳輸成功結(jié)束。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 通信測(cè)試

設(shè)計(jì)檢測(cè)在4種不同擴(kuò)頻因子(SF)下系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸過程中能耗以及延時(shí)，系統(tǒng)能耗及延時(shí)測(cè)試如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸能耗及延時(shí)曲線圖Fig. 5 Data transmission energy consumption and delay curve

由圖5結(jié)果可知，在不同的擴(kuò)頻因子下數(shù)據(jù)傳輸過程中其能量損耗及延時(shí)時(shí)間完全不同，隨著擴(kuò)頻因子的增大，數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中能耗和延時(shí)時(shí)間都會(huì)增加。

設(shè)置測(cè)試功率同上，信道帶寬為125 kHz，分別在4種數(shù)據(jù)率、距離為2 000 m、數(shù)據(jù)包為40 bit情況下進(jìn)行測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

由上述測(cè)試結(jié)果及式(1)表明，SF與信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(TRSSI)和信噪比(SNR)成正比。隨著通信距離的增加，TRSSI值在不斷減小。同時(shí)，TRSSI和信噪比測(cè)試點(diǎn)在一些復(fù)雜建筑物出，其信號(hào)質(zhì)量有波動(dòng)，隨著設(shè)備通信距離的增加，數(shù)據(jù)率增大，丟包率上升，但在設(shè)備距離網(wǎng)關(guān)2 km時(shí)，仍然具有良好的通信性能，能提供可靠的傳輸更大的距離。

圖6 丟包率(PLR)曲線Fig. 6 Loss rate (PLR) curve

4.2 監(jiān)控測(cè)試

設(shè)計(jì)裝置通過穿戴在人身上，最上層為紫外線傳感器所在層，中間層有LoRa模塊，最下層集成有心率血氧傳感器和體溫傳感器。通過采集身體特征數(shù)據(jù)以及身體外部環(huán)境數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)人身體健康的監(jiān)測(cè)。

圖7為試驗(yàn)者在校園里走動(dòng)時(shí)，利用穿戴裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境紫外線指數(shù)以及人體溫度。從 0～5 min內(nèi)，裝置檢測(cè)到的外部環(huán)境紫外線指數(shù)波動(dòng)大且較高，此時(shí)的人體溫度明顯高于人體正常溫度，表明試驗(yàn)者處于陽光照射下，從5～8 min內(nèi)，紫外線指數(shù)波動(dòng)小且低，此時(shí)人體溫度趨近于體溫，表明試驗(yàn)者處于陰涼地方或建筑物內(nèi)。

圖7 體溫與紫外線檢測(cè)曲線Fig. 7 Temperature and UV detection curve

圖8為試驗(yàn)者在校園里走動(dòng)時(shí)，利用該穿戴裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率和血氧含量，在0～5 min內(nèi)，讓試驗(yàn)者以平穩(wěn)的步伐行走，試驗(yàn)者的心率以及血氧飽和度處于平穩(wěn)狀態(tài)。在5～8 min內(nèi)，讓試驗(yàn)者開始慢跑并維持3 min，此時(shí)試驗(yàn)者體征檢測(cè)發(fā)生明顯變化，心率逐漸升高，血氧飽和度下降，結(jié)果如圖8 所示。

圖8 血氧飽和度與心率檢測(cè)曲線Fig. 8 Measurement curves of blood oxygen saturation and heart rate

5 結(jié) 論

針對(duì)社區(qū)養(yǎng)老的需求，提出了一種基于LoRa的老年人智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由人體特征監(jiān)測(cè)傳感器、環(huán)境檢測(cè)傳感器和LoRa無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成的人體健康整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中，通過依靠STM32處理器和傳感器對(duì)環(huán)境與體征數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，然后將利用LoRa技術(shù)將采集到的數(shù)據(jù)通過SX1278模塊發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，再通過網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)到云服務(wù)器。接著將處理后的數(shù)據(jù)通過云服務(wù)器顯示給用戶，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)社區(qū)老年人身體健康狀況，利用節(jié)點(diǎn)通信自適應(yīng)機(jī)制優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)老人健康數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，實(shí)現(xiàn)低功耗、低延時(shí)、高數(shù)據(jù)傳輸率的監(jiān)測(cè)效果。在設(shè)計(jì)中，老年護(hù)理網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)發(fā)送與延時(shí)是非常敏感的，為提高數(shù)據(jù)傳送速率(DTR)，降低數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)(DTD)，研究提出一種優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)通信機(jī)制，以改進(jìn)DTR與DTD等功能。結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)能耗、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性等性能均得到提升，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定檢測(cè)老年人的相關(guān)體征健康狀態(tài)。