關于使用LTE Cat M1 模塊實現(xiàn)生活系統(tǒng)的寬帶和智能手機方案

根據(jù)聯(lián)合國的預測，截止 2050 年，60 歲以上的人口將在全球人口中占據(jù) 22% 的比例，而在 2000 年，這一數(shù)字僅為 10%。在同一時期，地球上的人口總數(shù)將達到 80 億。從絕對數(shù)字來看，60 歲以上年齡段的人口將超過 17 億。雖然人們的壽命得到延長，在晚年仍然保持活力，但毫無疑問，社會上老年人口的增加將對全世界的醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來更大的壓力。

正因為如此，很多人認為，新興的醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng) (IoMT) 將會日臻成熟，成為人口老齡化問題解決方案的一個重要部分，其中包括利用可穿戴技術來監(jiān)控糖尿病等病癥，到讓心臟活動達到接近恒定的狀態(tài)等。個人助理技術可在病人忘記服藥時及時提醒他們。我們已經看到了 IoMT 技術的一些應用典范，但我們預期它還會更廣泛地替代現(xiàn)有技術，特別是在醫(yī)療保健領域。在使用自然語音識別的人工智能平臺領域，一些專業(yè)公司已經吸引了客戶的廣泛關注。機器人在這一領域的使用很可能也會增加。

新型、新發(fā)或潛在疾病的早期診斷是另一個可使用技術補充人為接觸的領域，例如使用居家系統(tǒng)來測量血壓、體溫和脈搏。市場上現(xiàn)在已經推出了各種互聯(lián)設備，包括 ECG 監(jiān)視器、血糖儀、肺活量計等等。這些數(shù)據(jù)上傳到云平臺，可供病人或醫(yī)療專業(yè)人員訪問。

適用于互聯(lián)醫(yī)療設備的云平臺的興起有助于加快推廣這種新范式，而商用解決方案與Kaa等開源項目也將齊頭并進。這些解決方案將劃分為軟件即服務 (SaaS) 或平臺即服務 (PaaS)，并且可以與市場上已經非常成熟完善的電子健康記錄 (EHR) 系統(tǒng)配合使用。

輔助生活

除使用技術監(jiān)測醫(yī)療狀況外，還可以通過輔助生活幫助老年人長期獨立生活。一些簡單而有效的方法便可確保獨居者能夠自理生活，如監(jiān)測他們的日常生活或使用電器的情況。

不過還有一類人群，他們幾乎不太可能會使用寬帶連接或智能手機向互聯(lián)的輔助生活解決方案提供回程連接。而沒有可靠的回程便無法獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。這些沒有寬帶連接或智能手機的人群因而淪為被遺忘的少數(shù)人群。

但幸運的是，有一種采用蜂窩連接的解決方案。第 13 版 3GPP 規(guī)范引入了多種用于 IoT 的新技術，它們統(tǒng)稱為 LTE-M。LTE-M 通常被歸為低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術，可以滿足遠距離低帶寬連接的需求，并且避免了構建和管理整個網(wǎng)絡基礎設施的復雜過程。將這些技術引入 LTE 規(guī)范，為 IoT 開啟了新的機遇。

圖 1： LTE Cat M1 可能有助于在包括醫(yī)療保健在內的所有行業(yè)部署 IoT。（來源：u-blox）

新推出的技術包括 eMTC 增強功能，亦稱 LTE Cat M1，該技術支持中低數(shù)據(jù)速率以及無線固件更新。它還包括多種可改善室內覆蓋的模式，并且支持手機信號塔切換（這對任何移動設備都很關鍵）和基于 LTE 的語音傳輸 (VoLTE)，而對于任何旨在提供醫(yī)療保健服務的平臺來說，該功能可謂是至關重要。除以上特性外，LTE Cat M1 模塊還可以使用單塊一次電池長時間運行，某些情況下可長達 10 年。

這些模塊使用方便，主要用作提供輔助生活功能的互聯(lián)家居的核心部件，也可在家庭以外使用，以保持服務的連續(xù)性，避免其成為用戶的繁重負擔。一些制造商現(xiàn)已提供面向此具體用途的 LTE Cat M1 模塊。

模塊化解決方案

u-blox 的 SARA-R4 支持 LTE Cat M1 和 LTE Cat NB1；后者提供的帶寬較低，通常采用更簡化的智能傳感器等 IoT 端點，但也可用于輔助生活應用。

圖 2： u-blox SARA-R4 的尺寸為 16 mm x 25 mm x 2.5 mm，可提供 LTE Cat M1 和 LTE NB-IOT 連接。（來源：u-blox）

該模塊能夠接受并識別 AT 命令，并且包含 I2C、SPI、UART 和 USB 接口，因此設備在系統(tǒng)級呈現(xiàn)為 USB 設備，表明可以將其連接到任何具有相關驅動程序的主機并由其控制。USB 接口符合 USB 2.0 規(guī)范，具有 480 kb/s 的最大傳輸速率，是與主機處理器間進行雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罡咝Х椒ā?/p>

圖 3 是NimbeLink的 Skywire LTE Cat M1 模塊（零件編號：NL-SW-LTE-SVZM20）。此模塊已獲得 FCC 認證，可以用于終端設備，這表示無需任何進一步的測試或鑒定程序便可交付使用，因而成為互聯(lián)平臺的理想之選。模塊接口兼容 XBee 接口標準，可以與多種開發(fā)套件或主機板搭配使用。

圖 3： NimbeLink Skywire LTE Cat M1 可以嵌入到準備量產的產品中。（來源： NimbeLink）

為支持開發(fā)人員，NimbeLink 還創(chuàng)建了NL-M1DK開發(fā)套件（圖 4）。圖 5 所示的套件方框圖顯示了套件的 Arduino 兼容接口，實際用作擴展板。但也可以通過 USB 將其連接到 PC。套件配備天線和 LTE SIM 卡。通過 PC 配置和枚舉為 USB 設備后，便可使用 Windows? 計算機上運行的任何適當終端程序發(fā)送的 AT 命令進行控制。

圖 4： NimbeLink NL-M1DK 開發(fā)套件幫助開發(fā)人員搭建和使用 LTE Cat M1 連接。（來源： NimbeLink）

圖 5： NL-M1DK 開發(fā)套件采用 Arduino 兼容針座。（來源： NimbeLink）

平臺構建

小型 LTE Cat M1 模塊便于整合到病人或老年人攜帶的產品中。通過整合其他傳感器，這種設備可以檢測病人或老年人是否摔倒，或者相反，是否長時間保持靜止狀態(tài)。通過基于云的人工智能，可以快速學習個人模式，使平臺能夠在發(fā)生任何異常情況時通知護理提供商。

例如Hillcrest Laboratories推出的BNO0809 軸慣性測量裝置集成了三個傳感器和一個 Arm? Cortex?-M0+ 微控制器。這三個傳感器分別是Bosch Sensortec開發(fā)的三軸 12 位加速計、三軸 16 位陀螺儀和三軸地磁傳感器；而微控制器則采用 Hillcrest 的 SH-2 軟件。其中包括 MotionEngine DSP 軟件，用于解析 MEMS 傳感器提供的原始數(shù)據(jù)并精準地呈現(xiàn)出設備的運動情況。

在通過藍牙、ZigBee 或線程將個人局域網(wǎng) (PAN) 連接到設備后，該設備還能成為家庭控制中心，與家用電器或其他旨在提供輔助生活的智能傳感器相互通信。例如，窗戶和門上的傳感器或每個房間里的溫度傳感器。光傳感器還可以提供更多信息，例如，當天是否打開了窗簾。

可能的傳感器還包括Rohm Semiconductor的BH1900NUX-TR，其采用雙線接口，能夠以數(shù)字方式表示 -20°C 至 +85°C 之間的溫度，精度為 ±3.0°C。Texas Instruments的DRV5032DUDMRT超低功耗數(shù)字開關霍爾效應傳感器可以用于窗戶/門監(jiān)控開關的設計中；當配置為以 5 Hz 的頻率更新輸出時，其在 1.8 V 供電電壓下的功耗僅為 0.54 μA。ams的TMD27723WA數(shù)字環(huán)境光傳感器的響應與人眼十分接近，是檢測室內光度的理想之選。

將這些“小數(shù)據(jù)”上傳到云平臺并使用人工智能進行分析后，可以獲得用戶的“大數(shù)據(jù)”視圖，在提供監(jiān)控的同時盡可能減少個人隱私的侵犯。

聯(lián)機

使用Raspberry Pi 3作為主機，并結合NL-AB-RPI Hat或 NL-M1DK 開發(fā)套件以及 Skywire LTE Cat M1 調制解調器，便可相對輕松地著手開發(fā)互聯(lián)設備。只需在 Pi 上安裝 Raspbian 和 PPP（點對點協(xié)議）包，并通過適當?shù)慕K端程序執(zhí)行 AT 命令，模塊便可聯(lián)機。

創(chuàng)建輔助生活智能控制中心既簡單又快捷。越來越多的云服務提供商開始提供針對 IoT 量身定制的平臺，例如 Amazon 的 AWS IoT 服務。連接控制中心后，便可使用它將數(shù)據(jù)推送至云進行進一步的處理。

Amazon 提供的服務包括：AWS IoT core，一種支持在設備和云之間進行安全交互的托管云平臺；AWS IoT 設備管理服務，可滿足管理大量設備的需要；AWS IoT Analytics，一項在機器學習的支持下對數(shù)據(jù)進行分析，從而獲取數(shù)據(jù)洞察的托管服務。

設置并登入 AWS 帳戶后，下一步是將 Raspberry Pi 注冊為一個“物”，此時會為其分配一個 REST API；一個用于訪問服務的唯一標識符。隨即生成證書以及公鑰和私鑰，以確保安全的數(shù)據(jù)交換。然后在 Pi 上安裝 AWS IoT SDK，例如 Embedded C SDK。該 SDK 以源代碼格式分發(fā)，包含 MQTT 傳輸客戶端和 TLS 實現(xiàn)，以及相關的使用說明。借助 SDK，設備可以更方便地使用 MQTT 訪問 AWS IoT 代理的發(fā)布／訂閱功能，以及訪問 API 功能。安裝 SDK 后，注冊期間獲得的安全信息將被復制到 aws_iot_config.h 文件中，如下所示?，F(xiàn)在可以執(zhí)行包含在 SDK 中的樣例應用程序。Amazon 還為用于 C++、Python、Java 和 JavaScript 的 SDK 提供了類似功能。

Copy//Getfromconsole
//=================================================
#defineAWS_IOT_MQTT_HOST"a22j5sm6o3yzc5.iot.us-east-1.amazonaws.com"
#defineAWS_IOT_MQTT_PORT8883
#defineAWS_IOT_MQTT_CLIENT_ID"MyRaspberryPi"
#defineAWS_IOT_MY_THING_NAME"MyRaspberryPi"
#defineAWS_IOT_ROOT_CA_FILENAME"root-CA.crt"
#defineAWS_IOT_CERTIFICATE_FILENAME"4bbdc778b9-certificate.pem.crt"
#defineAWS_IOT_PRIVATE_KEY_FILENAME"4bbdc778b9-private.pem.key"
//=================================================

圖 6： 將 AWS IoT 設備注冊過程中生成的安全信息添加到 SDK 配置文件后，您的設備便可與云服務相互通信。（來源： Amazon）

總結

技術在醫(yī)療保健領域一直發(fā)揮著重要作用，然而隨著全球人口年齡分布的不斷變化，老齡人口護理方面的需求也在與日俱增。輔助生活已成為一個迅猛發(fā)展的重要領域。

借助面向 IoT 的強大蜂窩技術，如今可以創(chuàng)建無需寬帶連接或接入智能電話便可實現(xiàn)與云的回程連接的解決方案。如此一來，便為互聯(lián)輔助生活解決方案創(chuàng)造了更多的可能性，從而顯著提升社會老齡人口的生活質量。