LTE Cat M1模块化解决方案

根据联合国的预测，截止 2050 年，60 岁以上的人口将在全球人口中占据 22% 的比例，而在 2000 年，这一数字仅为 10%。在同一时期，地球上的人口总数将达到 80 亿。从绝对数字来看，60 岁以上年龄段的人口将超过 17 亿。虽然人们的寿命得到延长，在晚年仍然保持活力，但毫无疑问，社会上老年人口的增加将对全世界的医疗保健系统带来更大的压力。

正因为如此，很多人认为，新兴的医疗物联网 (IoMT) 将会日臻成熟，成为人口老龄化问题解决方案的一个重要部分，其中包括利用可穿戴技术来监控糖尿病等病症，到让心脏活动达到接近恒定的状态等。个人助理技术可在病人忘记服药时及时提醒他们。我们已经看到了 IoMT 技术的一些应用典范，但我们预期它还会更广泛地替代现有技术，特别是在医疗保健领域。在使用自然语音识别的人工智能平台领域，一些专业公司已经吸引了客户的广泛关注。机器人在这一领域的使用很可能也会增加。

新型、新发或潜在疾病的早期诊断是另一个可使用技术补充人为接触的领域，例如使用居家系统来测量血压、体温和脉搏。市场上现在已经推出了各种互联设备，包括 ECG 监视器、血糖仪、肺活量计等等。这些数据上传到云平台，可供病人或医疗专业人员访问。

适用于互联医疗设备的云平台的兴起有助于加快推广这种新范式，而商用解决方案与 Kaa 等开源项目也将齐头并进。这些解决方案将划分为软件即服务 (SaaS) 或平台即服务 (PaaS)，并且可以与市场上已经非常成熟完善的电子健康记录 (EHR) 系统配合使用。

辅助生活

除使用技术监测医疗状况外，还可以通过辅助生活帮助老年人长期独立生活。一些简单而有效的方法便可确保独居者能够自理生活，如监测他们的日常生活或使用电器的情况。

不过还有一类人群，他们几乎不太可能会使用宽带连接或智能手机向互联的辅助生活解决方案提供回程连接。而没有可靠的回程便无法获得监测数据。这些没有宽带连接或智能手机的人群因而沦为被遗忘的少数人群。

但幸运的是，有一种采用蜂窝连接的解决方案。第 13 版 3GPP 规范引入了多种用于 IoT 的新技术，它们统称为 LTE-M。LTE-M 通常被归为低功耗广域网 (LPWAN) 技术，可以满足远距离低带宽连接的需求，并且避免了构建和管理整个网络基础设施的复杂过程。将这些技术引入 LTE 规范，为 IoT 开启了新的机遇。

图 1： LTE Cat M1 可能有助于在包括医疗保健在内的所有行业部署 IoT。（来源：u-blox）

新推出的技术包括 eMTC 增强功能，亦称 LTE Cat M1，该技术支持中低数据速率以及无线固件更新。它还包括多种可改善室内覆盖的模式，并且支持手机信号塔切换（这对任何移动设备都很关键）和基于 LTE 的语音传输 (VoLTE)，而对于任何旨在提供医疗保健服务的平台来说，该功能可谓是至关重要。除以上特性外，LTE Cat M1 模块还可以使用单块一次电池长时间运行，某些情况下可长达 10 年。

这些模块使用方便，主要用作提供辅助生活功能的互联家居的核心部件，也可在家庭以外使用，以保持服务的连续性，避免其成为用户的繁重负担。一些制造商现已提供面向此具体用途的 LTE Cat M1 模块。

模块化解决方案

u-blox 的 SARA-R4 支持 LTE Cat M1 和 LTE Cat NB1；后者提供的带宽较低，通常采用更简化的智能传感器等 IoT 端点，但也可用于辅助生活应用。

图 2： u-blox SARA-R4 的尺寸为 16 mm x 25 mm x 2.5 mm，可提供 LTE Cat M1 和 LTE NB-IOT 连接。（来源：u-blox）

该模块能够接受并识别 AT 命令，并且包含 I2C、SPI、UART 和 USB 接口，因此设备在系统级呈现为 USB 设备，表明可以将其连接到任何具有相关驱动程序的主机并由其控制。USB 接口符合 USB 2.0 规范，具有 480 kb/s 的最大传输速率，是与主机处理器间进行双向数据传输的最高效方法。

图 3 是 NimbeLink 的 Skywire LTE Cat M1 模块（零件编号：NL-SW-LTE-SVZM20）。此模块已获得 FCC 认证，可以用于终端设备，这表示无需任何进一步的测试或鉴定程序便可交付使用，因而成为互联平台的理想之选。模块接口兼容 XBee 接口标准，可以与多种开发套件或主机板搭配使用。

图 3： NimbeLink Skywire LTE Cat M1 可以嵌入到准备量产的产品中。（来源： NimbeLink）

为支持开发人员，NimbeLink 还创建了 NL-M1DK 开发套件（图 4）。图 5 所示的套件方框图显示了套件的 Arduino 兼容接口，实际用作扩展板。但也可以通过 USB 将其连接到 PC。套件配备天线和 LTE SIM 卡。通过 PC 配置和枚举为 USB 设备后，便可使用 Windows® 计算机上运行的任何适当终端程序发送的 AT 命令进行控制。

图 4： NimbeLink NL-M1DK 开发套件帮助开发人员搭建和使用 LTE Cat M1 连接。（来源： NimbeLink）

图 5： NL-M1DK 开发套件采用 Arduino 兼容针座。（来源： NimbeLink）

平台构建

小型 LTE Cat M1 模块便于整合到病人或老年人携带的产品中。通过整合其他传感器，这种设备可以检测病人或老年人是否摔倒，或者相反，是否长时间保持静止状态。通过基于云的人工智能，可以快速学习个人模式，使平台能够在发生任何异常情况时通知护理提供商。

例如 Hillcrest Laboratories 推出的 BNO080 9 轴惯性测量装置集成了三个传感器和一个 Arm® Cortex®-M0+ 微控制器。这三个传感器分别是 Bosch Sensortec 开发的三轴 12 位加速计、三轴 16 位陀螺仪和三轴地磁传感器；而微控制器则采用 Hillcrest 的 SH-2 软件。其中包括 MotionEngine DSP 软件，用于解析 MEMS 传感器提供的原始数据并精准地呈现出设备的运动情况。

在通过蓝牙、ZigBee 或线程将个人局域网 (PAN) 连接到设备后，该设备还能成为家庭控制中心，与家用电器或其他旨在提供辅助生活的智能传感器相互通信。例如，窗户和门上的传感器或每个房间里的温度传感器。光传感器还可以提供更多信息，例如，当天是否打开了窗帘。

可能的传感器还包括 Rohm Semiconductor 的 BH1900NUX-TR，其采用双线接口，能够以数字方式表示 -20°C 至 +85°C 之间的温度，精度为 ±3.0°C。Texas Instruments 的 DRV5032DUDMRT 超低功耗数字开关霍尔效应传感器可以用于窗户/门监控开关的设计中；当配置为以 5 Hz 的频率更新输出时，其在 1.8 V 供电电压下的功耗仅为 0.54 μA。ams 的 TMD27723WA 数字环境光传感器的响应与人眼十分接近，是检测室内光度的理想之选。

将这些“小数据”上传到云平台并使用人工智能进行分析后，可以获得用户的“大数据”视图，在提供监控的同时尽可能减少个人隐私的侵犯。

联机

使用 Raspberry Pi 3 作为主机，并结合 NL-AB-RPI Hat 或 NL-M1DK 开发套件以及 Skywire LTE Cat M1 调制解调器，便可相对轻松地着手开发互联设备。只需在 Pi 上安装 Raspbian 和 PPP（点对点协议）包，并通过适当的终端程序执行 AT 命令，模块便可联机。

创建辅助生活智能控制中心既简单又快捷。越来越多的云服务提供商开始提供针对 IoT 量身定制的平台，例如 Amazon 的 AWS IoT 服务。连接控制中心后，便可使用它将数据推送至云进行进一步的处理。

Amazon 提供的服务包括：AWS IoT core，一种支持在设备和云之间进行安全交互的托管云平台；AWS IoT 设备管理服务，可满足管理大量设备的需要；AWS IoT Analytics，一项在机器学习的支持下对数据进行分析，从而获取数据洞察的托管服务。

设置并登入 AWS 帐户后，下一步是将 Raspberry Pi 注册为一个“物”，此时会为其分配一个 REST API；一个用于访问服务的唯一标识符。随即生成证书以及公钥和私钥，以确保安全的数据交换。然后在 Pi 上安装 AWS IoT SDK，例如 Embedded C SDK。该 SDK 以源代码格式分发，包含 MQTT 传输客户端和 TLS 实现，以及相关的使用说明。借助 SDK，设备可以更方便地使用 MQTT 访问 AWS IoT 代理的发布／订阅功能，以及访问 API 功能。安装 SDK 后，注册期间获得的安全信息将被复制到 aws_iot_config.h 文件中，如下所示。现在可以执行包含在 SDK 中的样例应用程序。Amazon 还为用于 C++、Python、Java 和 JavaScript 的 SDK 提供了类似功能。

// Get from console

// =================================================

#define AWS_IOT_MQTT_HOST              "a22j5sm6o3yzc5.iot.us-east-1.amazonaws.com"

#define AWS_IOT_MQTT_PORT              8883

#define AWS_IOT_MQTT_CLIENT_ID         "MyRaspberryPi"

#define AWS_IOT_MY_THING_NAME          "MyRaspberryPi"

#define AWS_IOT_ROOT_CA_FILENAME       "root-CA.crt"

#define AWS_IOT_CERTIFICATE_FILENAME   "4bbdc778b9-certificate.pem.crt"

#define AWS_IOT_PRIVATE_KEY_FILENAME   "4bbdc778b9-private.pem.key"

// =================================================

图 6： 将 AWS IoT 设备注册过程中生成的安全信息添加到 SDK 配置文件后，您的设备便可与云服务相互通信。（来源： Amazon）

总结

技术在医疗保健领域一直发挥着重要作用，然而随着全球人口年龄分布的不断变化，老龄人口护理方面的需求也在与日俱增。辅助生活已成为一个迅猛发展的重要领域。

借助面向 IoT 的强大蜂窝技术，如今可以创建无需宽带连接或接入智能电话便可实现与云的回程连接的解决方案。如此一来，便为互联辅助生活解决方案创造了更多的可能性，从而显著提升社会老龄人口的生活质量。