基于NB-IoT的新冠肺炎健康监测系统设计

褚嘉雯,王亚飞,李学华，云 翔

(1.北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100192；2.北京佰才邦技术有限公司，北京 100094)

0 引言

基于可穿戴智能设备的健康监测系统有助于医护工作者根据相关医疗数据对患者进行疾病的预防和诊断，及时采取有关措施，可有效维护人们的身体健康和生命安全。随着5G时代的到来和物联网基础条件的不断成熟，可穿戴智能设备进入新的发展阶段。尤其在新冠肺炎疫情期间，人们对于体温、咳嗽情况等关键医疗参数的监测以及GPS定位等需求明显增加，对可穿戴设备的应用也有了新的需求。

目前可穿戴智能医疗设备主要应用于老年和儿童群体中，且绝大多数使用Wi-Fi或蓝牙无线传输技术，如基于穿戴式传感器的老人跌倒检测系统[1]、儿科疾病智能听诊设备[2]等。由于产品定价较高，且Wi-Fi或蓝牙无线传输技术无法满足大连接密度、低功耗、高兼容性等业务需求[3]，这些设备难以大范围普及应用。

纳入5G技术标准的窄带物联网技术(narrow band internet of things，NB-IoT)聚焦于广域物联网场景，具有大连接、广覆盖、低成本、低功耗的特点，应用于健康监测系统具有实用性强、可靠性高、节约成本等优点[4]。作为窄带无线接入的全新空口技术，NB-IoT可以与现有的蜂窝网络共存，无需新建核心网，有利于降低网络部署成本，加快部署速率。在NB-IoT下，智能可穿戴设备开机注册成功后即可自动接入服务器，避免了Wi-Fi复杂的连接配置操作，极大提升设备的联网率。同时，在疫情监测人群基数庞大时，NB-IoT能够有效解决智能可穿戴设备面临的功耗和连接密度问题。

因此，为解决传统健康监测系统存在的高成本、低可靠等问题，本文提出基于NB-IoT技术的新冠肺炎健康监测系统设计方案。该系统综合可穿戴传感器技术以及NB-IoT通信技术，在OneNET云平台中采用嵌入式软硬件协同技术进行设计开发，实现在Web界面对新冠肺炎关键医疗参数的监测和警示灯的远程控制。

1 需求分析与系统总体设计

1.1 需求分析

传统使用Wi-Fi、蓝牙等传输方式的健康监测设备组网复杂、可靠性低，且多数联网监测设备需由开发者根据实际应用情况独立开发后台服务器，增加了开发难度，延长了开发周期。此外，尽管时延敏感度低的可穿戴设备对数据传输速率要求低，但大量设备的接入和数据的处理对系统的连接密度和能耗控制等提出了很高的要求。根据表1常用无线传输技术的性能对比可知，NB-IoT技术具有组网简单、连接密度大、可靠性高、功耗低等特点，能有效弥补现有使用Wi-Fi、蓝牙技术的健康监测系统在待机时间、可接入设备量、安全性等方面的不足，能够满足市场需求。

本文采用NB-IoT数据传输技术进行新冠肺炎健康监测系统的设计，充分利用OneNET平台提供的API接口和标准接入协议，降低了开发难度，缩短了开发周期。系统的主要功能有：

1) 通过传感器实现对咳嗽、心率、血压、体表温度、GPS等数据的采集。

2) 解析采集到的传感器数据，通过下行命令控制警示灯的工作状态，采用NB-IoT无线通信技术将用户的健康数据发送至OneNET云平台，并在客户端上进行展示，方便使用者查看。

3) 根据客户端信息的显示情况，实现对警示灯的远程控制和健康监测。

表1 常用无线传输技术性能对比

1.2 系统总体方案设计

借鉴参考文献[7],设计新冠肺炎健康监测系统由数据采集层、通信层、应用服务层和用户层4层结构组成，总体架构如图1所示。

图1 健康监测系统总体架构

从左至右第1层为数据采集层，主要包括由主控制器、健康数据监测模块和GPS传感器、警示灯、电源模块、NB-IoT通信模块等组成的NB终端。其中，健康数据监测模块和GPS传感器将采集到的数据存储在控制器中，并将解析后的数据利用NB-IoT模块发送到移动NB-IoT基站。该层是系统的底层核心部分。

第2层为通信层，数据采集层采集到的数据，通过NB-IoT通信模块发送到移动NB-IoT基站，再由基站经由核心网转发至OneNET云平台。该层是将物联网与窄带通信技术融合的核心。

第3层为应用服务层，负责接收来自NB-IoT基站发送的数据，并配置传感器资源参数将数据上传至OneNET云平台上，云平台对数据进行存储和分析，最终实现资源的订阅，以及终端执行器的远程控制。

第4层为用户层，该层对应用服务层转发的数据进行提取调用和下行命令转发，管理人员可以通过Web操作界面对健康监测系统进行远程控制和实时监控。

2 系统硬件设计

系统硬件设计主要指健康监测终端节点的硬件设计，负责实现数据采集层的功能，即利用可穿戴监测设备实现对患者的位置上报、健康信息采集与处理等，并将采集数据上传至NB-IoT基站，实现通信模块通信连接[8]。硬件结构如图2所示。

图2 终端节点硬件结构设计

主控制器为STM32F103RET6单片机。健康监测模块包含有效判断跌倒和监测咳嗽情况的ADXL345三轴加速度传感器，以及用来检测佩戴人员心率、血压、体表温度的云电高科MKB0908智能穿戴传感器。其中ADXL345传感器通过检测佩戴者的空间加速度判别其当前运动状态。当佩戴者发生跌倒或咳嗽等反应时，传感器将上报监测到的身体波动数据。主控制器采用串口通信的方式接收健康监测模块和GPS定位模块数据，并通过另一个UART向NB-IoT通信模块发送数据，然后采用NB-IoT无线通信技术将接收到的数据传至IoT云平台。警示灯工作状态由输出控制模块输出电信号的值决定[9]。电源模块采用AC/DC开关电源将用户输入的220 V交流电输出为5 V直流电为各类传感器供电，并经过DC/DC将电压降至3.3 V，为主控制器供电[10]。

NB-IoT无线通信模块由M5310-A NB模组、SIM卡座、调试串口、天线、复位键、LED指示灯组成，电源模块负责提供5 V工作电压。本系统中M5310-A模块采用Band 8的工作频段，适用于对时延不敏感的低速率数据传输业务。M5310-A是LCC封装的贴片式模块，尺寸仅有19 mm×18 mm×2.2 mm。它内置UDP/CoAP等数据传输协议及扩展AT指令，模块采用了低功耗技术，电流功耗在PSM模式低至3 μA。M5310-A模组具体功能如图3所示。

图3 M5310-A模组功能

无线通信模块将主控制器收集并处理过的各类传感器数据以及警示灯工作状态通过互联网转发至IoT云平台，并接收用户自主下发的指令。NB-IoT无线通信模块设计如图4所示。

图4 NB-IoT无线通信模块

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括NB终端与IoT云平台的数据通信协议设计，即系统总体架构的通信层中接入NB基站的通信协议，以及NB终端主控制器的软件设计、应用服务层中IoT云平台的接入流程以及用户层中客户端软件设计。

3.1 数据通信协议设计

本系统在OneNET平台开发时需添加对应的NB-IoT设备，NB终端与OneNET平台的通信依靠基于NB-IoT的LwM2M协议和CoAP协议实现。LwM2M协议具有高效率、可扩展性强等特点，是设备接入物联网平台的应用层协议。传输层协议采用支持数据重传、适用于低功耗场景的CoAP协议实现数据传输。

LwM2M作为应用层的协议，在LWM2M Protocol中定义了一些逻辑操作，比如读、写、执行、订阅等，用于对传感器以及传感器属性进行标识。基于UDP协议的CoAP作为传输层协议，是一种面向网络的协议。CoAP基于REST交互，可以用来访问物联网设备。COAP根据IPSO的规范对资源进行抽象定义，遵循UDP基本的协议报文格式。同时由于UDP作为面向非连接的协议具有传输不可靠性，因此CoAP带有重传机制，并且能够发现无线传感器网络节点中常规的冗余，具有更好的资源优化方式。

此外，由于本系统采用的NB终端已内置与OneNET平台进行交互的SDK，因此通过简单的AT指令便可建立UDP连接。在NB终端成功获取Bootstrap服务器、返回LwM2M接入服务器地址和端口后，终端设备会自动完成接入OneNET平台的操作。

3.2 终端节点软件设计

在该系统采用的NB-IoT数据传输设计中，健康数据从主控制器通过UART发送给NB-IoT无线通信模块，之后通过CoAP方式与移动NB-IoT基站进行通信，再由基站通过核心网转发至OneNET云平台[12]。

终端的软件设计流程如图5所示，系统上电启动后会自动进行初始化操作。首先是主控制器单片机的初始化。其次是模块初始化，包括NB-IoT通信模块和各传感器的初始化。之后通过定时器对各传感器信息进行采集、解析和存储，并将数据发送到NB-IoT模块，进而上传至IoT云平台。

图5 终端软件设计流程

3.3 IoT云平台

在应用服务层中，本系统采用中国移动OneNET物联网平台进行大数据的存储和分析。OneNET是中国移动面向物联网技术搭建的PaaS级开放云平台。该平台提供丰富的终端接入协议及API接口[13]，能够有效降低设备接入与连接的开发难度，大大缩短产品开发部署时间，为智能硬件、智慧城市等物联网场景提供方便快捷的开发部署方案。图6为OneNET接入流程。

图6 OneNET接入流程

3.4 客户端软件设计

用户层采用Web操作界面。客户端软件平台的设计目的是使OneNET平台对接物联网设备，对于终端上报到OneNET云平台的数据通过API接口进行获取、解析、存储操作，并将数据显示在Web应用程序中。对于患者和医护人员来说，可以使其拥有专属的操作平台，不必经过OneNET平台查看数据，增强系统的可扩展性，同时增强使用者的操作便捷性。客户端软件平台操作的流程如图7所示。

图7 客户端软件设计流程

4 系统测试及结果分析

为验证该系统的有效性，将可穿戴的NB终端佩戴在测试者身上，进行新冠肺炎关键医疗数据的采集工作。在OneNET云平台创建对应NB终端IMEI号的设备后，以100 s为周期将数据上传至云端，并利用json技术，使用OneNET平台中URL对接设备API，利用HTTP将数据推送至客户端Web界面进行数据分析和远程监控。

4.1 数据上传下发测试

4.1.1 数据上传测试

首先创建传感器的相关资源，配置资源属性后，设备携带相应资源列表建立LWM2M通信,服务器端自主订阅设备资源列表中所有资源。在用户周期性地上传某个资源的传感器值时，需将该资源的flag属性设置为NBIOT_UPDATED，程序会主动将所订阅资源的传感器值按照指定时间间隔上传至ONENet中[14]。如图8所示，在主函数中解析温湿度传感器的值，进入res_update函数中，首先将temp资源的状态设置为NBIOT_UPDATED，然后再周期性地接收温湿度传感器数据。

图8 数据上传至IoT云平台关键代码

测试结果表明：该系统能够满足新冠肺炎健康监测的功能需求，在大量医疗数据上传至云端的情况下，采用NB-IoT技术具有低时延、高可靠、低功耗的持续工作能力。健康监测系统传感器值在OneNET平台上的数据呈现如图9所示。

图9 健康监测系统传感器值在OneNET平台上的数据呈现

4.1.2 数据下发测试

客户端发送下行命令至OneNET平台，并由云平台转发至NB终端，下行命令被NB终端缓存起来，方便程序直接从缓存区获取下行控制命令，在设备端完成指令解析后，会自动调用该命令对应资源中的write钩子函数完成信令下发的相关操作。图10为设置Boolean类型警示灯的工作状态。

图10 控制警示灯亮灭的关键代码

4.2 Web界面展示

客户端的Web界面通过平台提供的API接口进行数据调取和下行控制，并将数据存储在MySQL数据库中，最终实现对警示灯工作状态的控制和健康监测的数据显示。图11为Web显示界面，通过该界面可以实现佩戴可穿戴设备者健康情况的实时监测，并远程控制警示灯，节省人力物力的同时，提高医护工作者的工作效率。

图11 Web显示界面

5 结束语

本文提出了一种基于NB-IoT的新冠肺炎健康监测系统。系统具有可靠性高、功耗低、连接密度大、易开发等特点。测试结果表明，该系统能够将传感器采集的数据利用NB-IoT技术发送至健康监测平台，实现对佩戴者相关健康参数的远程监测，以及警示灯的智能监测及控制。该系统不仅面向智慧医疗的发展需求，同时，与传统方案相比具有一定的普适性，可扩展至智能抄表、智慧工业等应用场景，具有良好的应用价值和市场推广前景。