基于NB-IoT的老年人安全監護系統設計

蘭州理工大學計算機與通信學院 許祖銘

1.引言

我國進入人口老齡化社會，老年人遇到各類情況的安全風險都在增大。本系統綜合考慮了老年人意外跌倒及家中遇到的各種安全風險和疾病風險，利用物聯網技術有效地降低了這一類風險發生所造成的嚴重后果，還可以為我國養老服務行業提供新的模式，帶動養老服務產業和遠程醫療技術快速發展。

2.系統簡介

2.1 本系統的總體建設目標

利用NB-IoT技術、物聯網技術和傳感器技術，設計一種老年安全監護系統。該系統可實現對老年人脈搏、體溫、血壓、步態等生理參數的監測，同時可實現定位、摔倒警報、火災警報、煤氣泄漏警報等安全防護功能。

2.2 本系統分為數據監測部分和安全防護部分

（1）數據監測部分分為監測端和移動端。監測端包括溫度傳感器、微壓力傳感器、三軸加速度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等。采用NB-IoT技術實現數據傳輸，通過移動互聯網上傳至云端服務器，云端服務器端對采集到的數據進行智能化處理，然后顯示到PC客戶端或者移動客戶端，實現數據接收、監測、存儲、查詢、分析等功能。整體架構如圖1所示。

圖1 監測部分整體架構

（2）安全防護部分分為處理模塊和功能模塊。傳感器作為監測模塊，當老人意外摔倒，心臟病發作，走丟，家中起火或者煤氣泄漏等意外情況發生時，處理模塊感知監測數據并識別意外的發生，并實現通知、報警、定位等安全防護功能。整體架構如圖2所示。

監護人通過該系統可對老年人體溫、脈搏、步態等數據進行監測，密切關注老人的生理狀況，及時發現并治療疾病。同時，在老人意外摔倒、心臟病發作或者家中發生火災、煤氣泄漏等緊急情況時，該設備自動向監護人發出警報。患有阿茲海默癥老人意外走失時，監護人還可通過該設備定位功能將老人找回。

2.3 系統實現方案

本系統采用STM32CubeMX工具進行開發，這是一個全面的軟件平臺，包括ST產品的每個系列。采用MCU為ST公司低功耗系列的STM32L151芯片，NB模塊采用移遠的BC-95，并使用電信NB-IoT專用SIM卡。NB模塊供電電壓為3.1V～4.2V，頻段為BC95-B8：900MHZ/850MHZ/800MHZ，工作溫度在-40℃～+85℃，下載方式為UART，使用協議棧IPV4/IPV6*。此模塊主要優勢有：（1）模塊尺寸緊湊，體積較小，使用方便；（2）低功耗、超高靈敏度；（3）LCC封裝，適合批量生產，便于產品開發；（4）內嵌豐富的網絡服務協議棧。

圖2 安全防護部分整體架構

本系統采用微壓力傳感器為HM30微差壓變送器，允許測量范圍在0～500pa，擁有防雷擊，防射頻干擾，結構精巧，外形美觀等優點。煙霧傳感器為凌涵科技的KGN1型煙霧傳感器，檢測靈敏度為三級可調，可以檢測多種有毒、爆炸性氣體。三軸加速度傳感器為MPU-6050模塊，陀螺儀范圍±250 500 1000 2000°/s，加速度范圍±2±4±8±16g。MPU-6000為整合性6軸運動處理組件，相較于多組件方案，免除了組合陀螺儀與加速器時之軸間差的問題，減少了大量的包裝空間。MLX90614是一款由邁來芯公司提供的低成本測溫模塊，測量范圍在-70℃～+382.2℃，測量誤差為±0.5℃，分辨率為0.02℃，感測物體距離小于1cm。輸出數據和物體溫度呈線性比例，具有高精度和高分辨率。

傳感器監測到的數據由NB-IoT模組發送到NB-Center進行統一管理，管理設備和設備的會話與上報數據、下行指令。通過CoAp服務器，可以方便用戶通過電腦和手機進行遠程訪問，同時保證了數據的安全性和實時性。

3.國內外研究現狀和發展動態

國外的發達國家比中國更早進入老齡化社會，所以在老年人監護系統方面的研究更加深入。例如瑞典的Tass公司設計了一種健康監測系統，還在Android智能手機上開發了相應的App。系統可將收集到的數據傳輸到App上，由監護人進行查看。又例如英國生命信托基金會研究的監測系統，通過無線通信技術，將電子芯片鑲嵌至家居設備中，實現對老年人生活的監測。國外對老年人監測系統的研究還有可穿戴類設備方面，例如AMON腕帶式健康監測系統，類似國內研發的小米手環，但遠不及小米手環的舒適性和靈活性。國內為了緩解老齡化問題，在物聯網方面對老年人監護系統進行了研究和實踐。山東濟南在智能養老方面，綜合運用了物聯網、大數據、云計算等先進技術建立智能養老中心。南京鼓樓區在智能養老方面提供了遠程醫療、緊急呼叫等服務。類似的研究和實踐還有很多，將智能養老服務與監護系統結合，使我國養老體系更加完善。隨著物聯網技術的發展，國內對智能化養老系統的研究也越來越深入。更多的研究將新型的物聯網技術、傳感器技術、大數據、云計算結合，使得養老系統向智能化方向發展。

4.系統特色

（1）采用NB-IoT技術，NB-IoT技術具有低成本，低功耗，廣覆蓋，大連接的優勢。NB 模組核心板支持移遠推出的 BC95模塊，采用電信版 BC95-B5，它是一種高性能、低功耗的無線通信模塊。

（2）可以與醫院進行聯網，建立覆蓋各級醫院和家庭的無線遠程醫療網絡系統，同時監測不同患者的血壓、脈搏、心率和呼吸，可實現醫學監護信息的遠程傳輸、遠程監控和遠程診斷。國內的醫院也可以通過該系統，了解就醫的病患治療后的狀況，并對病患進行提醒。

（3）在監測老年人身體特征參數的同時，還可以保障老年人的家居安全，當意外發生時，第一時間通知到監護人，避免出現嚴重后果。實現監測與防護的一體化。

（4）可將人“物聯網化”，這是在大數據時代，除了手機外收集用戶各項數據的重要環節。基于NB-IoT的老年人監護系統是一種全新的數據采集方式。該系統可以隨時收集用戶的生理數據，上傳到每個人的專有數據庫，并通過數據挖掘和一系列技術對其進行分析，從而預測人體的未來狀態。

（5）利用收集到的步態特征數據，通過已有算法預測老年人患病的概率，可有效避免疾病的發生和病情的惡化。

5.總結

本系統采用的通信技術是窄帶物聯網。其支持待機時間長，很適合用于監測系統的數據傳輸。系統將最新的物聯網技術應用于老年安全健康管理，同時設備端具有低功耗、實時移動性和信息采集的及時有效性等創新之處。本系統可以對老年人的健康進行有效管理，并對解決醫療方面的問題提供數據支持。

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