LTE Cat M1模塊化解決方案

根據聯合國的預測，截止 2050 年，60 歲以上的人口將在全球人口中占據 22% 的比例，而在 2000 年，這一數字僅為 10%。在同一時期，地球上的人口總數將達到 80 億。從絕對數字來看，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療保健系統帶來更大的壓力。

正因為如此，很多人認為，新興的醫療物聯網 (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控糖尿病等病癥，到讓心臟活動達到接近恒定的狀態等。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有技術，特別是在醫療保健領域。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，例如使用居家系統來測量血壓、體溫和脈搏。市場上現在已經推出了各種互聯設備，包括 ECG 監視器、血糖儀、肺活量計等等。這些數據上傳到云平臺，可供病人或醫療專業人員訪問。

適用于互聯醫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) 系統配合使用。

輔助生活

除使用技術監測醫療狀況外，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測數據。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 規范引入了多種用于 IoT 的新技術，它們統稱為 LTE-M。LTE-M 通常被歸為低功耗廣域網 (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絡基礎設施的復雜過程。將這些技術引入 LTE 規范，為 IoT 開啟了新的機遇。

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

新推出的技術包括 eMTC 增強功能，亦稱 LTE Cat M1，該技術支持中低數據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家居的核心部件，也可在家庭以外使用，以保持服務的連續性，避免其成為用戶的繁重負擔。一些制造商現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，因此設備在系統級呈現為 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據傳輸的最高效方法。

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）

為支持開發人員，NimbeLink 還創建了 NL-M1DK 開發套件（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送的 AT 命令進行控制。

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

圖 5： NL-M1DK 開發套件采用 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。通過基于云的人工智能，可以快速學習個人模式，使平臺能夠在發生任何異常情況時通知護理提供商。

例如 Hillcrest Laboratories 推出的 BNO080 9 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據并精準地呈現出設備的運動情況。

在通過藍牙、ZigBee 或線程將個人局域網 (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 超低功耗數字開關霍爾效應傳感器可以用于窗戶/門監控開關的設計中；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 數字環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“小數據”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“大數據”視圖，在提供監控的同時盡可能減少個人隱私的侵犯。

聯機

使用 Raspberry Pi 3 作為主機，并結合 NL-AB-RPI Hat 或 NL-M1DK 開發套件以及 Skywire LTE Cat M1 調制解調器，便可相對輕松地著手開發互聯設備。只需在 Pi 上安裝 Raspbian 和 PPP（點對點協議）包，并通過適當的終端程序執行 AT 命令，模塊便可聯機。

創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，便可使用它將數據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據進行分析，從而獲取數據洞察的托管服務。

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，以確保安全的數據交換。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，包含 MQTT 傳輸客戶端和 TLS 實現，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在可以執行包含在 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。

// 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"

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

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

技術在醫療保健領域一直發揮著重要作用，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展的重要領域。

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