CN112837503A - 一种基于智慧养老的5g网关应用方法和系统 - Google Patents

一种基于智慧养老的5g网关应用方法和系统 Download PDF

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罗强
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Abstract

本发明涉及智慧养老技术领域，目的是提供一种基于智慧养老的5G网关系统和应用方法，其中应用方法包括步骤1：5G网关接收到呼救者的呼救信号后将呼救信号进行处理并发送至智能照护云平台，步骤2：智能照护云平台通过计算匹配到相应的智能定位手表的佩戴者，并向相应的智能手表发出呼救请求，第一优先选择离呼救信号最近的智能定位手表以及照顾呼救者的护理人员佩戴的智能定位手表，第二优先选择空闲状态同区域其他护理人员，第三优先选择可配置全区域护理人员或管理人员，步骤3：通过智能手表对呼救请求回应并发送执行请求至5G网关，所述5G网关记录呼叫发起时间、护理人员响应时间、护理人员到达时间、护理人员完成时间并发送至智能照护云平台。

Description

一种基于智慧养老的5G网关应用方法和系统
技术领域
本发明涉及智慧养老技术领域，具体涉及一种基于智慧养老的5G网关系统和应用方法。
背景技术
随着我国社会经济的不断发展，人口老龄化问题日趋严重，据2017年2月28日国家统计局公布的最新统计数据显示，截至2016年底，我国60周岁及以上老年人口为2.3 亿人，占总人口的比例为16.7％，65周岁及以上人口为1.5亿人，占总人口的比例为 10.8％，随着人口老龄化逐渐成为趋势，患有心脑血管疾病、糖尿病、高血压等疾病的人越来越多。在物联网、互联网等现代科技蓬勃发展的背景下，医养结合的养老模式是我国发展老年人医疗服务的有效性途径，必须在观念上实现居家养老向社会养老转变，借鉴“医养结合、持续照顾”理念，此来更好地应对我国日益严重的人口老龄化挑战。
智慧养老模式的原理是利用物联网、智能云计算等技术，实现各类传感器终端和计算机网络的无缝连接，考虑到老人日常生活习惯，防止老人在养老院发生突发情况时可以及时得到救助，研发此套系统，用于服务养老院老人，并解决养老院运营痛点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于智慧养老的5G网关系统和应用方法，实现智慧养老的高效数据传输、计算和统计分析功能。
通过以下技术方案来实现的：一种基于智慧养老的5G网关系统，包括有5G网关、预警终端、智能手表、报警定位终端和智能照护云平台，所述预警终端用于发出预警信号，所述报警定位终端用于发出报警定位信号，所述预警信号和所述报警定位信号通过通信模块发送至5G网关，所述5G网关对预警信号和报警定位信号发送至所述智能照护云平台，所述智能照护云平台对信号进行处理后通过5G网关发送至佩戴者的智能手表上，在佩戴者确认后，智能手表将确认信息通过5G网关发送至所述智能照护云平台，完成佩戴者护理响应闭环，包括预警信号发起时间、佩戴者确认响应时间、佩戴者到达呼救地时间、佩戴者完成施救时间。
优选的，所述通信模块包含有433Mhz通信模块、Lora通信模块和以太网通信模块，所述5G网关通过5G通信模块与智能照护云平台连接。
优选的，所述5G网关包括有5V和3.3V电源模块，所述5V电源模块分别对5G通信模块、串口转USB模块、CAN通信模块和CPU核心板进行供电，所述3.3V电源模块分别对 433Mhz接收模块、以太网通信模块、433Mhz发送模块和lora通信模块进行供电，所述CPU 核心板分别与433Mhz接收模块、以太网通信模块、433Mhz发送模块、lora通信模块、5G 通信模块、串口转USB模块和CAN通信模块连接，所述5V电源模块将12V电源输入转换为5V。
优选的，所述CPU核心板基于ARM架构的cotex-A7，主频700Mhz，CPU核心板集成内存RAM芯片，容量512MB，集成外存芯片EMMC，容量为8G。
优选的，所述CPU核心板上设置有双层的USB母口，通过USB母口与5G通信模块连接。
另一方面，一种基于智慧养老的5G网关应用方法，包括下列步骤：
步骤1：5G网关接收到呼救者的呼救信号后将呼救信号进行处理并发送至智能照护云平台，执行步骤2；
步骤2：智能照护云平台通过计算匹配到相应的智能定位手表的佩戴者，并向相应的智能手表发出呼救请求，其中匹配的规则是，第一优先选择离呼救信号最近的智能定位手表以及照顾呼救者的护理人员佩戴的智能定位手表，第二优先选择空闲状态同区域其他护理人员，第三优先选择可配置全区域护理人员或管理人员，执行步骤3；
步骤3：通过智能手表对呼救请求回应并发送执行请求至5G网关，所述5G网关计算呼救请求与执行请求之间的时长并发送至智能照护云平台，实现响应闭环
优选的，所述步骤1中，呼救信号包括有预警信号和报警定位信号，所述预警终端发出预警信号，报警定位终端发出报警定位信号。
优选的，所述步骤1中，所述5G网关处理呼救信号包含有3种模式，第一种模式是在运营商网络覆盖不良的情况下，启动高级边缘计算功能并关闭运营商网络功能，开启以太网通讯功能，通过5G网关进行呼救信号处理计算定位和预警；第二种模式是在运营商 5G网络不稳定情况下，选择4G网络工作，启动基本边缘计算功能并将报警和预警数据进行呼救信号预处理；第三种模式是在运营商5G网络稳定情况下，关闭所有边缘计算功能，将呼救信号数据发送到云端，通过智能照护云平台进行分析。
优选的，所述5G网关中保留最近时间段已发生的响应闭环，其中，最近时间段可设定。
本发明的有益效果是：
(1)当老人发生意外或者需要求助时，看护能够在第一时间内的赶到现场进行求助。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的实施例中硬件连接关系图；
图3为本发明的实施例中电源的第一级降压电路原理图；
图4为本发明的实施例中电源的第二级降压电路原理图；
图5为本发明的实施例中CPU核心板的接口原理图；
图6为本发明的实施例中CPU核心板的双层USB母口原理图；
图7为本发明的实施例中5G通信板中供电电路的原理图；
图8为本发明的实施例中5G通信板中SIM卡接口的原理图；
图9为本发明的实施例中5G通信板中USB通信和开关机控制原理图；
图10为本发明的实施例中以太网通信模块的原理图；
图11为本发明的实施例中CPU核心板中串口转USB模块的原理图；
图12为本发明的实施例中433Mhz通信模块中的第一模块原理图；
图13为本发明的实施例中433Mhz通信模块中的第二模块原理图；
图14为本发明的实施例中Lora通信模块的MCU部分原理图；
图15为本发明的实施例中Lora通信模块的通讯部分原理图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图1～15，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“逆时针”、“顺时针”“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
请参照图1，一种基于智慧养老的5G网关系统，包括有5G网关、预警终端、智能手表、报警定位终端和智能照护云平台，所述预警终端用于发出预警信号，所述报警定位终端用于发出报警定位信号，所述预警信号和所述报警定位信号通过通信模块发送至5G网关，所述5G网关对预警信号和报警定位信号发送至所述智能照护云平台，所述智能照护云平台对信号进行处理后通过5G网关发送至佩戴者的智能手表上，在佩戴者确认后，智能手表将确认信息通过5G网关发送至所述智能照护云平台。
值得说明的是，具体为，请参照图2，硬件设计分为10个部分，如下图所示：5V电源，3.3V电源，CPU核心板，5G通信，以太网通信，串口转USB模块，CAN通信，433Mhz 接收，433Mhz发送，无线lora通信，请参照图3，系统需要外接电源，外部直流供电电压(12V)需要经过降压电路为系统供电。第一级降压电路将12V转为5V。使用DC-DC芯片JW5060，通过电阻R26(15K)和电阻R34(84.5K)调节电压，使后端平稳输出5V电压。 5V电源电压会供给系统中的cpu核心板，5G通信模块，串口转USB模块，CAN模块使用。
值得说明的是，请参照图4，第二级降压电路将5V转为3.3V。使用DC-DC芯片JW5060，通过电阻R35(49.9K)和电阻R37(15K)调节电压，使后端平稳输出3.3V电压。3.3V电源电压会供给系统中的以太网通信，433Mhz接收，433Mhz发送，无线lora通信模块使用。
值得说明的是，本网关设备的CPU采用基于ARM架构的cotex-A7，主频700Mhz，核心板集成内存RAM芯片，容量512MB，同时集成外存芯片EMMC，容量8G。软件系统概述：本设备软件基于linu操作系统，内核版本为linux 4.19.35，文件系统采用ubuntu-base 16.04。编写好基于linux的设备硬件驱动程序后，后续设备运行的应用层逻辑代码基于 python3.5编写。硬件接口概述：本设备提供多种用于外部有线和无线通信的接口资源。主要有：USB接口(用于接入5G通信模块)，10/100M以太网接口(通过RJ45接口接入有线网络)，5路UART_TTL串口(用于433Mhz通信，usb调试等)，一路CAN接口。通过搭载的硬件接口，本设备可以灵活接入类似健康体检设备、摄像头、智能家居等终端资源。另外，丰富的底层接口，可以支持定制高性能音视频编解码、9轴传感器、存储器、环境传感器、多模GNSS等功能，具体的接口原理图，参照图5，图6在核心板上布置一个双层USB母口，用于连接5G通信板，使用USB_OTG2进行5G通信板的硬件连接，软件驱动，以及数据传输。
值得说明的是，本设备5G通信采用兼容3种平台5G方案。
华为工业级巴龙5000芯片，采用集成的SOC方案，模块型号为MH5000，采用74脚M.2(NGFF)封装，尺寸53*64mm；
高通SDX55平台芯片，采用集成SOC方案，模块型号为中移物联F03X，同样采用74脚M.2(NGFF)封装，尺寸30*52mm；
紫光展锐UNISOC UDX710平台芯片，采用集成SOC方案，模块型号为广和通FM650,同样采用74脚M.2(NGFF)封装，尺寸30*52mm。
通信速率为5G NR模式：2Gbps下行,230Mbps上行；4G LTE模式:TDD 1Gbps下行，30Mbps上行；FDD 600Mbps下行，75Mbps上行。支持NSA/SA组网模式，支持2/3/4/5G 全兼容。供电电压为5V。
值得说明的是，本方案核心是CPU核心板和5G通信板，两者之间通过硬件USB接口连接。本设备在实际部署中，能够广泛收集在养老场景中的紧急呼叫定位、健康采集、生命体征、安全预警等和长者生命安全相关的数据，并通过5G网络，和云端服务器进行深度数据交互，通过海量原始数据，进行精准智能运算，以保证数据结果的精准度和普适性。例如，对于长者的生命体征或安全预警的判断，终端设备可以直接将原始数据通过5G网络交付给云服务器，进一步提升运算的精准性。另外，本设备在智慧照护场景中，具备更强大的边缘计算能力，设备本身就是一个微服务器，不但可以作为常规中继进行数据交互，同时本身也参与数据运算。例如，当长者触发报警或预警时，5G组网设备间会立即进行交互和本地运算，选择最优资源(硬件资源、软件软件、服务资源)去响应长者，使得运行效率大幅提升。经过实测，单设备能够支持超过800个终端节点的长连接通讯，供电部分的硬件原理图参考图7，SIM卡接口部分图参考图8，USB通信和开关机控制部分，其中其中USB20_DP和USB20_DN两个接口接核心板的USB接口USB_OTG2_DP和USB_OTG2_DN，进行USB通信，核心板作为USB主机，5G通信板作为USB从机，具体如图8。
值得说明的是，本设备集成以太网通信功能，cpu核心板外接一个以太网控制器，通过主板上面的RJ45接口，接入本地有线网。原理图如图9，图中U4(LAN8720A)为以太网控制器，采用3.3V供电。系统上电后，通过linux系统集成的驱动开始工作。ENET2(HR911105A)为RJ45接口(带两个状态指示灯)，通过网线接入有线网。
值得说明的是，本设备的cpu核心板的串口中，串口1(UART1_TXD,UART1_RXD)为外部预留的外部调试串口。通过U1(CH340C)串口转换芯片,将串口信号转换为USB信号，再在主板上布置Mini_USB接口，用于外部电脑通过USB数据线调试和控制本设备，原理图为图10。
值得说明的是，本设备集成两个麦麦自研的433Mhz低功耗无线通讯模块，采用直流 3.3V供电，内部型号为MM-IOT-Module-V3，模块带接收端接收数据确认功能。模块可以运行在四种工作模式：普通发送，普通接收，低功耗发送，低功耗接收。当前设备使用的两个模块如下：第一个模块U7处于普通接收模式，通过接入核心板的串口4(UART4_TXD， UART4_RXD)与核心板进行数据交互。主要作用是接受呼叫系统里面的硬件(包括胸牌，手表，拉绳，房间标签)，发出的数据(包括报警信息，设备状态信息)，传输到核心板。原理图如图11。
值得说明的是，参照图12，第二个模块U8处于低功耗发送模式，通过接入核心板的串口3(UART3_TXD，UART3_RXD)与核心板进行数据交互。主要作用是采用低功耗唤醒模式，发送数据到护士手表，完成在护士手表上的报警流程处理。
值得说明的是，本设备集成通用的Lora通讯功能，可用于接入第三方的标准Lora数据传输模块，进行数据交互,供电电压为直流3.3V。Lora通讯模块由一个飞思卡尔MKL16Z64 单片机MCU(U16)和两个SX1278 Lora通信芯片(U9，U11)组成。其中U16的串口1(U10_UART_RX，U10_UART_TX)连接核心板的串口2(UART2_TXD，UART2_RXD)进行数据交互。U16的SPI接口0(接口编号3，4，5，6)控制U11处于Lora接收模式，接收外部硬件发送的信息；U16的SPI接口1(接口编号45，46，47，48)控制U9处于Lora发送模式，向外部硬件发送数据。MCU部分原理图如13，Lora通讯部分如图14。
实施例2：
一种基于智慧养老的5G网关应用方法，包括下列步骤：
步骤1：5G网关接收到呼救者的呼救信号后将呼救信号进行处理并发送至智能照护云平台，执行步骤2；
步骤2：智能照护云平台通过计算匹配到相应的智能定位手表的佩戴者，并向相应的智能手表发出呼救请求，其中匹配的规则是，优先选择离呼救信号最近的智能定位手表以及照顾呼救者的护理人员佩戴的智能定位手表，次选根据忙闲状态同区域其他护理人员，再其次选择可配置全区域护理人员或管理人员，执行步骤3；
步骤3：通过智能手表对呼救请求回应并发送执行请求至5G网关，所述5G网关记录呼叫发起时间、护理人员响应时间、护理人员到达时间、护理人员完成时间并发送至智能照护云平台，实现响应闭环。
值得说明的是，应用于实施例1中的一种基于智慧养老的5G网关系统，首先，预警终端或报警定位终端，可通过433MHz载波，按照MM-IOT-Module-V3所组建的麦麦报警专网或通用LoRa网络或通过以太网络，将数据发送给网关。5G网关经过边缘计算，将定位信息和预警信息进行预处理后，通过5G网络传输给云端。云端经过精准定位算法和护理资源调度算法处理后，将下发信息(包含当前护理人员忙闲状态、老人专责护理人员信息)传输给5G网关，5G网关经过本地边缘计算，查找周围护理资源，优先寻找老人专责护理人员和就近闲时护理人员，并将报警或预警信息推送给护理人员智能手表。通讯方式依然是MM-IOT-Module-V3所组建的麦麦报警专网或通用LoRa网络。护理人员收到信息后，将启动对长者的服务，并通过和5G网关的数据交互，将报警或预警响应收到时间、报警或预警响应启动时间、报警或预警响应到达时间、报警或预警响应完成时间(完成时间通过手表和房间标签近场通讯交互，由房间标签上报)上报到5G网关，5G网关将收到的信息，整理后上报给云端，完成长者报警或预警闭环。
值得说明的是，5G网关将预警数据分多种模式处理：
模式1，当本地运营商覆盖不良的情况下，启动高级边缘计算功能，该功能将关闭运营商网络功能，启动以太网通讯功能，通过5G网关本地计算定位和预警，并通过就近选择护理人员方式，将报警或预警进行推送。响应闭环也通过本地存储，并保留最近一段时间的响应记录(可配置)
模式2，当本地运营商5G网络不稳定，大概率选择4G网络工作时，启动基本边缘计算功能，将报警和预警数据本地进行预处理，减小数据量，缩短数据上报时间，后续流程如上诉。(例如，床垫预警产品，可将长者心率呼吸数据进行本地预处理，如果心率或呼吸正常，则定时上报一次平滑采样值，如果心率或呼吸异常，则立即上报异常曲线)
模式3，当本地运营商5G网络稳定时，关闭边缘计算功能，将海量预警原始数据上报到云端，通过云端智能学习算法进行分析，可以将预警数据和定位数据更有效的，更准确的进行处理。(例如，床垫预警产品，可将长者心率呼吸原始数据上报，数据量巨大，但是能够更及时和准确判断呼吸和心率异常，并能够更有效的做慢性病管理)。
值得说明的是，可接入的预警设备，包含但不限于长者活动传感器、长者门磁传感器、燃气、烟感、溢水、床垫、毫米波体态传感器等。可接入报警设备，包含但不限于长者固定报警设备、穿戴式报警定位终端设备等。同时还可接入第三方智能家居设备、安防报警网络设备等。
综上所述，本发明通过在网络连接、长者触发端和护理响应端上进行具体的设计，能够快速的获取信号，并通过预存的大数据云处理对接收到的信号进行计算和匹配，使得相应的响应端的护理人员都能再第一时间赶到长者身边，本发明不仅能够应用在养老机构、护理诊所提高护理老人的效果，还能够根据智能照护云平台上的响应数据对响应的护理人员进行考核，也便于对护理流程的优化。

Claims (9)

1.一种基于智慧养老的5G网关系统，其特征在于，包括有5G网关、预警终端、智能手表、报警定位终端和智能照护云平台，所述预警终端用于发出预警信号，所述报警定位终端用于发出报警定位信号，所述预警信号和所述报警定位信号通过通信模块发送至5G网关，所述5G网关对预警信号和报警定位信号发送至所述智能照护云平台，所述智能照护云平台对信号进行处理后通过5G网关发送至佩戴者的智能手表上，在佩戴者确认后，智能手表将确认信息通过5G网关发送至所述智能照护云平台，完成佩戴者护理响应闭环，智能云平台统计响应闭环时间，包括预警信号发起时间、佩戴者确认响应时间、佩戴者到达呼救地时间、佩戴者完成施救时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于智慧养老的5G网关系统，其特征在于，所述通信模块包含有433Mhz通信模块、Lora通信模块和以太网通信模块，所述5G网关通过5G通信模块与智能照护云平台连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于智慧养老的5G网关系统，其特征在于，所述5G网关包括有5V和3.3V电源模块，所述5V电源模块分别对5G通信模块、串口转USB模块、CAN通信模块和CPU核心板进行供电，所述3.3V电源模块分别对433Mhz接收模块、以太网通信模块、433Mhz发送模块和lora通信模块进行供电，所述CPU核心板分别与433Mhz接收模块、以太网通信模块、433Mhz发送模块、lora通信模块、5G通信模块、串口转USB模块和CAN通信模块连接，所述5V电源模块将12V电源输入转换为5V。
4.根据权利要求3所述的一种基于智慧养老的5G网关系统，其特征在于，所述CPU核心板基于ARM架构的cotex-A7，主频700Mhz，CPU核心板集成内存RAM芯片，容量512MB，集成外存芯片EMMC，容量为8G。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于智慧养老的5G网关系统，其特征在于，所述CPU核心板上设置有双层的USB母口，通过USB母口与5G通信模块连接。
6.一种基于智慧养老的5G网关应用方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1：5G网关接收到呼救者的呼救信号后将呼救信号进行处理并发送至智能照护云平台，执行步骤2；
步骤2：智能照护云平台通过计算匹配到相应的智能定位手表的佩戴者，并向相应的智能手表发出呼救请求，其中匹配的规则是，第一优先选择离呼救信号最近的智能定位手表以及照顾呼救者的护理人员佩戴的智能定位手表，第二优先选择空闲状态同区域其他护理人员，第三优先选择可配置全区域护理人员或管理人员，执行步骤3；
步骤3：通过智能手表对呼救请求回应并发送执行请求至5G网关，所述5G网关记录呼叫发起时间、护理人员响应时间、护理人员到达时间、护理人员完成时间并发送至智能照护云平台，实现响应闭环。
7.根据权利要求6所述的一种基于智慧养老的5G网关应用方法，其特征在于，所述步骤1中，呼救信号包括有预警信号和报警定位信号，所述预警终端发出预警信号，报警定位终端发出报警定位信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于智慧养老的5G网关应用方法，其特征在于，所述步骤1中，所述5G网关处理呼救信号包含有3种模式，第一种模式是在运营商网络覆盖不良的情况下，启动高级边缘计算功能并关闭运营商网络功能，启动以太网通讯功能，通过5G网关进行呼救信号处理计算定位和预警；第二种模式是在运营商5G网络不稳定情况下，选择4G网络工作，启动基本边缘计算功能并将报警和预警数据进行呼救信号预处理；第三种模式是在运营商5G网络稳定情况下，关闭所有边缘计算功能，将呼救信号数据发送到云端，通过智能照护云平台进行分析。
9.根据权利要求8所述的一种基于智慧养老的5G网关应用方法，其特征在于，所述5G网关中保留最近时间段已发生的响应闭环，其中，最近时间段可设定。
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