基于物联网的智慧医疗终端及其系统设计

2019-05-22陆仁杰刘岩孙新棋冯月芹

无线互联科技 2019年5期

陆仁杰刘岩孙新棋冯月芹

摘要：随着物联网行业的发展，NB-IoT技术得到广泛的应用。文章设计一种基于NB-IoT技术的终端设备，通过传感器采集用户的生理参数，由单片机透传达到终端数据库，用户能够通过网页、微信小程序等途径远程获取受监测者的采集数据。本系统满足便捷、快速、精确等多方面要求，能够作为医疗的辅助设备，为社会提供更便捷的医疗健康服务。

关键词：个人终端；智慧医疗；NB-IoT；物联网

随着物联网技术的发展，人们正致力与智慧城市、智慧农业、智慧医疗等其他智慧行业的建设。由于传统的医疗行业已经无法满足人们对健康医疗的需求，同时传统的医疗操作复杂，信息封闭，患者无法了解自身的情况，造成了医患之间的矛盾，智慧医疗的建设必然成为未来社会一个重要的发展方向。为了实现患者对自身身体状况与医疗信息的了解，本文针对患者设计的硬件终端是智慧医疗建设中尤为重要的一环。通过患者终端能够进行数据的共享，通过云平台对数据的处理，使医疗机构制定正确完善的医疗方案[1]。

1 总体设计

终端系统以STM32为主控制器，选取中移物联网的M5310-A（NB-IoT）模组作为无线通信模块，主控制器控制生理参数采集传感器，对人体的心率、血氧、体温等进行数据采集，将采集到的数据串口传送到NB-IoT模组，再由NB-IoT模组发送到基站，最后由基站传送到终端云服务器，由云服务器进行数据的存储与处理，用户使用客戶端软件来查看数据。

系统整体架构如图1所示。

2 硬件总体设计

2.1 NB-IoT通信模块

NB-IoT模块选用中移物联网公司的M5310-A模组，工作电压为3.1～4.2 V，典型值为3.6 V，通过串口与主控芯片进行数据传输。该模组支持eSIM和OneNet传输协议，具有低功耗、高通信传输速率的特点，FOTA功能的增加方便了固件的升级。

硬件电路的设计主要包括电源供电模块、串口通信模块、天线模块等[2]。

电源采取5 V直流电源，为了保证模块电压保持在3.1～4.2 V，采用Micrel公司的低压差线性稳压器，型号为MIC29302WU，该稳压器的输出电压为3.6 V，满足模组的供电电压。为了保证电源的稳定性，在电源电路输出端放置一个稳压管，反向击穿电压为5.1 V，耗散功率为1 W以上。电源电路如图2所示。

模组拥有2个串口端，分别为主串口端和调试串口端，调试串口通过RS232电平转换电路与电脑端连接，主串口端与STM32串口端进行连接。主串口端用以AT指令的传送，支持的波特率为9 600、115 200。调试串口端仅用作软件调试，调试波特率配置为921 600 bps。

M5310-A提供了一个RF焊盘接口供连接外部天线。天线满足频率范围在824～960 MHz/1 710～1 880 MHz，最大输入功率5 W，输入阻抗50 Ω，为了更好地调节天线性能，电路中预留π型匹配电路[3]。天线电路如图3所示。

2.2 监测模块

监测模块由控制模块和传感器模块组成，其中传感器模块包括脉氧、心率监测模块、人体温度监测模块和心电图监测模块[4]。

控制模块为STM32f103zet6芯片，通过STM32单片机与各个传感器模块进行连接，因为各传感器模块与STM32单片机都是3.3 V供电电压，所以无需进行电平转换。

脉氧和心率监测模块选用MAX30102模块，其I2C通信接口和电压兼容1.8～5 V，主控芯片STM32为3.3 V电压输出，该传感模块完全能够与主控芯片进行正常通信。MAX30102使用光电容积法来进行脉搏的测量，光电容积法的基本原理是利用人体组织在血管搏动时造成的透光率不同来进行脉搏和血氧浓度饱和测量的。采取这种测量方法，使用者仅需将该传感器放置在手指、手腕或耳垂上即可便捷的测出数据。MAX30102模块有7个引脚端，分别为VCC电源端、GND地端、I2C总线的时钟（SCL）与数据（SDA）端、INT芯片中断端、剩余2个端口已内接地端无需连接。VCC端与单片机的3.3 V电源端连接，GND端与单片机地端连接，时钟与数据端与GPIO口B组的9号10号引脚连接，通过GPIO仿真I2C来控制。INT中断端与GPIO口B组的5号引脚连接。

人体温度监测模块选用MAX30205模块，该传感器利用高分辨率、-、模＼数转换器将温度测量值直接转换为数字形式，当测量温度在37～39 ℃时，传感器的精度为0.1 ℃，MAX30205同样也是通过I2C接口与主控芯片连接。MAX30205与有8个引脚端，为了方便开发，仅适用其中4个端口，电源端、地端、I2C总线的时钟（SCL）与数据（SDA）端。如果需要设置报警温度，可以使用报警输出端[5]。

心电图监测模块选用AD8232模块，通过医疗电极与身体相连接，电极尽量靠近心脏位置，采集数据之后传送到软件进行数据处理与显示。AD8232除常规的电源端、地端之外，需要连接输出（OUTPUT）端，导联脱落检测端（LO-与LO+），占用单片机3个GPIO引脚。

数字型传感器方便了数据的读取，I2C总线接口节约了芯片的引脚，易于开发。

3 系统软件设计

系统的软件包括上位机与下位机，下位机负责传感器的控制与数据传输，上位机对下位机的数据进行接收与处理[6]。

3.1 NB-IoT远程传输

NB-IoT模组上电后自动连接NB-IoT网络，通过AT指令使模组与中移物联网开放平台OneNet相连。在与OneNet平台连接之前，必须先在平台上注册产品设备，通过国际移动用户识别码（International Mobile Subscriber Identification Number，IMSI）和国际移动设备识别码（International Mobile Equipment Identity，IMEI）来确定设备与平台连接的唯一性。

NB-IoT模组与平台的连接的主要流程如下。

（1）通过OneNet提供的软件生成注册码，主控芯片通过串口向模组发送注册码进行设备的创建。

（2）订阅资源配置，根据LWM2M协议选择Object和Resource的ID编号，由AT指令AT+MIPADDOBJ与AT+MIPLNOTIFY进行参数资源配置。

（3）主控芯片通过串口发送AT指令AT+MIPLOPEN=0，30使模组发起登录请求，在30 s内若为成功登录则会上报登陆失败的通知。

（4）登录完成之后，即可通过AT指令AT+MIPLNOTIFY来进行数据的上报。设备与OneNet平台连接之后即可通过平台远程查看设备的情况，模组上报的所有数据都由OneNet平台接受，通过平台的数据推送服务即可将数据发至服务器，将所有数据存放在数据库中，方便软件的调取[7]。

NB-IoT与平台连接流程如图4所示。

3.2 监测模块软件设计

监测模块程序由初始化程序，传感器控制程序，与NB-IoT模组串口通信程序等组成。

监测模块上电之后先进行初始化，保证串口通信正常。先由主控芯片向NB-IoT模组发送AT指令，通过NB-IoT模组的应答信息判断模组是否正常连接NB-IoT网络。再完成正常接入网络之后，通过OLED显示屏显示程序菜单，通过按键来选择需要开启的传感器，主控芯片将传感器采集到的数据通过串口发送给NB-IoT模组，同时也将数据经过处理在显示屏上显示[8]。底层模块工作流程如图5所示。

3.3 监测软件

监测软件由QT软件进行开发，监测软件包括用户登录、数据显示、远程控制等模块。

通过远程服务器进行用户数据的存储，用户数据包括用户名、密码以及使用设备中NB-IoT模组的国际移动设备识别码进行绑定，是用户在登录之后对应到相应的数据库，调取用户使用设备的监测数据。

软件可以从数据库中调取最近一周的数据，通过软件处理使数据可视化，观察心率、心电图、体温在一段时间内的变化趋势。

4 结语

该系统基于NB-IoT传输，通过移动OneNet平台使終端设备方便快捷连入互联网，实现终端设备通过NB-IoT远程监测数据变化。测试结果表明，该系统操作简单，通信准确可靠，便捷的使用极其适合中老年人，具有一定的应用前景，能够产生很大的经济效益。

[参考文献]

[1]王宇.物联网Android平台可穿戴医疗监控系统设计与实现[J].山西电子技术，2017（3）：27-30.

[2]李玲，郭晓玲，武仁杰，等.基于NB-IoT及ZigBee的无线传感器网络网关设计[J].通信技术，2019（1）：234-238.

[3]潘磊磊，张桂青，田崇翼，等.基于NB-IoT的农业环境监控系统设计[J].电子设计工程，2019（1）：25-30，36.

[4]蔡友宏.基于NB-IoT和OneNet云平台的环境监测系统[J].电子技术与软件工程，2018（24）：51-52.

[5]陈丹.物联网技术在智慧医疗领域的应用[J].信息与电脑（理论版），2019（1）：178-179.