基于NB-IoT的老年人安全监护系统设计

兰州理工大学计算机与通信学院 许祖铭

1.引言

我国进入人口老龄化社会，老年人遇到各类情况的安全风险都在增大。本系统综合考虑了老年人意外跌倒及家中遇到的各种安全风险和疾病风险，利用物联网技术有效地降低了这一类风险发生所造成的严重后果，还可以为我国养老服务行业提供新的模式，带动养老服务产业和远程医疗技术快速发展。

2.系统简介

2.1 本系统的总体建设目标

利用NB-IoT技术、物联网技术和传感器技术，设计一种老年安全监护系统。该系统可实现对老年人脉搏、体温、血压、步态等生理参数的监测，同时可实现定位、摔倒警报、火灾警报、煤气泄漏警报等安全防护功能。

2.2 本系统分为数据监测部分和安全防护部分

（1）数据监测部分分为监测端和移动端。监测端包括温度传感器、微压力传感器、三轴加速度传感器、烟雾传感器、红外传感器等。采用NB-IoT技术实现数据传输，通过移动互联网上传至云端服务器，云端服务器端对采集到的数据进行智能化处理，然后显示到PC客户端或者移动客户端，实现数据接收、监测、存储、查询、分析等功能。整体架构如图1所示。

图1 监测部分整体架构

（2）安全防护部分分为处理模块和功能模块。传感器作为监测模块，当老人意外摔倒，心脏病发作，走丢，家中起火或者煤气泄漏等意外情况发生时，处理模块感知监测数据并识别意外的发生，并实现通知、报警、定位等安全防护功能。整体架构如图2所示。

监护人通过该系统可对老年人体温、脉搏、步态等数据进行监测，密切关注老人的生理状况，及时发现并治疗疾病。同时，在老人意外摔倒、心脏病发作或者家中发生火灾、煤气泄漏等紧急情况时，该设备自动向监护人发出警报。患有阿兹海默症老人意外走失时，监护人还可通过该设备定位功能将老人找回。

2.3 系统实现方案

本系统采用STM32CubeMX工具进行开发，这是一个全面的软件平台，包括ST产品的每个系列。采用MCU为ST公司低功耗系列的STM32L151芯片，NB模块采用移远的BC-95，并使用电信NB-IoT专用SIM卡。NB模块供电电压为3.1V～4.2V，频段为BC95-B8：900MHZ/850MHZ/800MHZ，工作温度在-40℃～+85℃，下载方式为UART，使用协议栈IPV4/IPV6*。此模块主要优势有：（1）模块尺寸紧凑，体积较小，使用方便；（2）低功耗、超高灵敏度；（3）LCC封装，适合批量生产，便于产品开发；（4）内嵌丰富的网络服务协议栈。

图2 安全防护部分整体架构

本系统采用微压力传感器为HM30微差压变送器，允许测量范围在0～500pa，拥有防雷击，防射频干扰，结构精巧，外形美观等优点。烟雾传感器为凌涵科技的KGN1型烟雾传感器，检测灵敏度为三级可调，可以检测多种有毒、爆炸性气体。三轴加速度传感器为MPU-6050模块，陀螺仪范围±250 500 1000 2000°/s，加速度范围±2±4±8±16g。MPU-6000为整合性6轴运动处理组件，相较于多组件方案，免除了组合陀螺仪与加速器时之轴间差的问题，减少了大量的包装空间。MLX90614是一款由迈来芯公司提供的低成本测温模块，测量范围在-70℃～+382.2℃，测量误差为±0.5℃，分辨率为0.02℃，感测物体距离小于1cm。输出数据和物体温度呈线性比例，具有高精度和高分辨率。

传感器监测到的数据由NB-IoT模组发送到NB-Center进行统一管理，管理设备和设备的会话与上报数据、下行指令。通过CoAp服务器，可以方便用户通过电脑和手机进行远程访问，同时保证了数据的安全性和实时性。

3.国内外研究现状和发展动态

国外的发达国家比中国更早进入老龄化社会，所以在老年人监护系统方面的研究更加深入。例如瑞典的Tass公司设计了一种健康监测系统，还在Android智能手机上开发了相应的App。系统可将收集到的数据传输到App上，由监护人进行查看。又例如英国生命信托基金会研究的监测系统，通过无线通信技术，将电子芯片镶嵌至家居设备中，实现对老年人生活的监测。国外对老年人监测系统的研究还有可穿戴类设备方面，例如AMON腕带式健康监测系统，类似国内研发的小米手环，但远不及小米手环的舒适性和灵活性。国内为了缓解老龄化问题，在物联网方面对老年人监护系统进行了研究和实践。山东济南在智能养老方面，综合运用了物联网、大数据、云计算等先进技术建立智能养老中心。南京鼓楼区在智能养老方面提供了远程医疗、紧急呼叫等服务。类似的研究和实践还有很多，将智能养老服务与监护系统结合，使我国养老体系更加完善。随着物联网技术的发展，国内对智能化养老系统的研究也越来越深入。更多的研究将新型的物联网技术、传感器技术、大数据、云计算结合，使得养老系统向智能化方向发展。

4.系统特色

（1）采用NB-IoT技术，NB-IoT技术具有低成本，低功耗，广覆盖，大连接的优势。NB 模组核心板支持移远推出的 BC95模块，采用电信版 BC95-B5，它是一种高性能、低功耗的无线通信模块。

（2）可以与医院进行联网，建立覆盖各级医院和家庭的无线远程医疗网络系统，同时监测不同患者的血压、脉搏、心率和呼吸，可实现医学监护信息的远程传输、远程监控和远程诊断。国内的医院也可以通过该系统，了解就医的病患治疗后的状况，并对病患进行提醒。

（3）在监测老年人身体特征参数的同时，还可以保障老年人的家居安全，当意外发生时，第一时间通知到监护人，避免出现严重后果。实现监测与防护的一体化。

（4）可将人“物联网化”，这是在大数据时代，除了手机外收集用户各项数据的重要环节。基于NB-IoT的老年人监护系统是一种全新的数据采集方式。该系统可以随时收集用户的生理数据，上传到每个人的专有数据库，并通过数据挖掘和一系列技术对其进行分析，从而预测人体的未来状态。

（5）利用收集到的步态特征数据，通过已有算法预测老年人患病的概率，可有效避免疾病的发生和病情的恶化。

5.总结

本系统采用的通信技术是窄带物联网。其支持待机时间长，很适合用于监测系统的数据传输。系统将最新的物联网技术应用于老年安全健康管理，同时设备端具有低功耗、实时移动性和信息采集的及时有效性等创新之处。本系统可以对老年人的健康进行有效管理，并对解决医疗方面的问题提供数据支持。

[1]王菲菲．基于物联网技术的智能化老年公寓监测系统研究[D]．天津科技学,2016．

[2]逢淑宁．移动智能穿戴设备产业发展状况及趋势[J]．电信技术,2015(4)∶21-23．

[3]戴国华,余骏华．NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J]．移动通信,2016,40(07)∶31-36．

[4]张天雷．一种居家式智能腰带的重心量测及评估策略[D]．大连理工大学,2014．

[5]宋庆松．基于Android的远程医疗监护终端系统[D]．湖北工业大学,2017．

[6]耿怡,安晖,李扬,江华．可穿戴设备发展现状和前景探析[J]．电子科学技术,2014,(2)∶238-245．