基于認知無線電通信的智能助老服務系統設計

李滿江 周立 魏健 雷可君

摘 ? 要：文章提出了一種基于認知無線電通信的智能助老服務系統的構建模式。一方面，將傳感測量技術、信息技術、計算機技術和控制技術應用于助老服務，在醫療服務和生活服務方面嘗試用人工智能來完成部分工作，以提高助老服務的先進性和可靠性。另一方面，針對智能化帶來的傳輸數據急劇增加的情況，考慮通過認知無線電來搭建專用的助老服務系統通信網絡，從而確保信息傳輸的穩定性、準確性和及時性。

關鍵詞：助老服務;智能;系統;通信;認知無線電

隨著老齡化社會的到來，老年人尤其是獨居、空巢、孤寡老人的養老成為一個日益嚴峻的社會問題。當今社會生存競爭激烈，家庭子女特別是獨生子女沒有足夠的時間和精力照顧老人，傳統的“養兒防老”觀念在現實的沖擊下逐漸弱化，完全依靠家庭來養老的模式難以滿足社會需求[1]。高齡老年人的自我照料能力差、行為和語言能力下降，需要大量的人力和物力對他們進行特別護理。然而，在目前的助老服務模式下，我國在短時間內很難通過社會養老來完全代替家庭養老[2]。因此，老年人對被照顧的需求與家庭和社會能提供的養護供給之間的矛盾日趨尖銳。將助老服務和現代信息技術結合起來，開發具有一定護理能力的助老服務系統以幫助老人生活起居，成了一種新型的“居家養老”模式。這種新型的養老模式符合時代發展的要求，是解決我國老年人養老過程中出現的各種問題的有效途徑[3]。

鑒于此，筆者深入分析助老服務系統應該具備的各項功能，提出了一種基于認知無線電通信的智能助老服務系統，該系統具有實時監控、專網通信、服務內容豐富等特點，不僅注重老年人生活質量的提高，而且關注老年人的精神狀態和心理健康，能為老年人提供諸如日常護理、線上線下陪伴、醫療幫助和康復指導等方面的服務，并在老年人遇到緊急情況時給予及時的救助。

1 ? ?智能助老服務系統的構建思路

要解決傳統助老服務系統中存在的問題，需要投入大量的人力和物力，尤其是專業的醫護團隊、心理輔導團隊和成熟的老年人活動策劃團隊的建立。隨著我國老齡化的日益嚴重，老年人口日益增多，而勞動力尤其是具有專業知識的勞動力難以進入到助老服務系統中，因此，利用信息網絡的資源共享功能、智能檢測設備的監測能力、人工智能的替代作用和認知無線電通信網絡安全高效的特點，建立具有及時通信、實時監控和活動內容豐富的線上、線下助老服務系統，是解決傳統助老服務系統所面臨困境的有效方法。

2 ? ?智能助老服務系統的總體結構

智能助老系統是家域網和廣域網組成的二級結構，其中，家域網包括家庭智能醫學設備、ARM中央控制平臺、圖像處理單元、人工智能服務和ZigBee無線傳輸5大模塊;廣域網由監控中心、數據分析與處理中心、系統服務中心和認知無線電網關4大模塊組成。智能助老系統的總體二級結構如圖1所示。

3 ? ?智能助老服務系統家域網的功能及其通信系統

3.1 ?家域網的功能

在智能助老系統的家域網（見圖2）中，家庭智能醫學設備模塊和基于ARM芯片的中央控制平臺是核心組成部分。家庭智能醫學設備模塊由多種智能檢測儀器組成，負責監測老年人的健康指標。家庭智能醫學設備的控制模塊通過ZigBee無線通信技術與中央控制平臺進行連接。一旦監測指標超過標準值，則立即通過中央控制平臺啟動智能報警模塊。對家庭環境的實時監控則由智能監控設備完成，一旦出現異常情況，也將通過中央控制平臺啟動智能報警模塊。此外，中央控制平臺通過無線傳輸操控人工智能設備，使其為患病或生活不能自理的老人提供醫療服務和生活服務，通過全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）和用戶（老人的監護人）連接，通過認知無線電通信模塊和城域網的系統服務中心連接。

3.2 ?家域網的通信系統

家域網中家電設備和家庭智能醫學設備發射信號時通常使用免費的工業、科學、醫學（Industrial Scientific Medical，ISM）頻帶，例如IEEE 802.11 WLANs（2.4 GHz），WiFi（2.4 GHz和5 GHz）、藍牙（2.4 GHz）和微波（2～40 GHz）。ZigBee是一種應用于短距離和低速率下的無線通信技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間的數據傳輸，智能家居通信系統通常采用ZigBee技術（2.4 GHz）構建家庭內部網絡[4]。智能助老系統的家域網也借鑒智能家居采用ZigBee技術構建網絡。因此，當家電設備、家庭智能醫學設備、中央控制臺同時使用2.4 GHz頻段發送信號時，將不可避免地會發生信號沖突。解決這一問題的有效方法是將認知無線電技術（Cognitive Radio，CR）[5]應用到家域網中，使得家域網網關具有認知通信的功能，從而控制家域網中各種設備對2.4 GHz頻譜的占用，確保各類信息的穩定傳輸。

4 ? ?智能助老服務系統廣域網的功能及其通信系統

4.1 ?廣域網的功能

廣域網完成的助老服務功能主要包括監控信息的保存與查詢、檢測數據的分析與處理、多種服務的提供與管理。（1）廣域網的監控中心：可以通過PC機對被照顧者進行實時監控，家人也可以隨時隨地通過互聯網或者手機觀察到被照顧者。（2）數據分析和處理中心：及時分析來自家域網的醫療、飲食、健康等各類檢測數據，并根據數據分析情況進行相應的處理。（3）系統服務中心：提供護理、陪伴和醫療康復等方面的人員支持，并為豐富老年人的精神生活等相關活動提供活動組織策劃、線上線下交友平臺搭建等多種服務。廣域網的結構框架如圖3所示。

4.2 ?廣域網的通信系統

目前，通信方式主要分為有線通信和無線通信兩種，在長距離通信中有線方式以光纖通信為主，無線通信以3G/4G移動通信為主。智能助老服務系統中廣域網的通信系統主要是確保各類信息在智能助老服務系統中進行高效、安全傳輸，若“搭乘”移動通信或互聯網的“順風車”，采用租用帶寬的方式傳輸數據，雖然節約了建設成本和后期的維護管理費用，但其產生的租賃費用是相當可觀的，而且還需考慮信息的安全性和保密性。若要構建智能助老系統的專用通信網絡，必須考慮一些現實的因素，如建設成本、維護管理投入、通信設備的功耗、信息傳輸的穩定性等。顯然，采用光纖構建智能助老系統的有線通信網絡方案，在前期的網絡建設成本和后期的維護管理費用方面均不占優勢，而構建無線通信專用網絡又必須面臨頻譜資源緊張的問題。認知無線電技術是一種有效利用頻譜空洞的新技術，即允許非授權用戶在授權用戶未使用其合法頻段（即頻譜空洞存在）的前提下使用該頻段，從而在極大提高頻譜利用效率的同時，降低了網絡的建設成本和運營維護成本。因此，在助老服務系統內部，為保證實時監控畫面的及時有效傳輸、各種共享資源的流暢傳遞以及出于對老人健康狀況和其家庭隱私的保護，筆者提出了構建以認知無線電為基礎的專用通信網絡的方案。

5 ? ?結語

本研究克服了傳統助老模式存在的成本大、效率低、專業性不強等缺陷，利用現代監控技術、信息處理技術、感知技術和通信技術探究構建智能助老服務系統的模式，令其在提高助老服務的專業性、實時性和豐富性的同時，以資源共享的模式降低了重復建設的投入成本。讓不愿離開家人的老人既得到安全保障，又不增加家人的精神負擔，有利于家庭和睦，弘揚孝道。

[參考文獻]

[1]張利華，張慧，鄭煜明，等.基于地理信息系統的社區助老服務系統[J].計算機應用，2013（S2）：312-314.

[2]孫奕敏，王玙璠，艾浩軍.基于助老服務機器人的智慧養老院系統研究[J].科技視界，2015（16）：27，96.

[3]侯來冬.基于移動通信終端的助老通信服務系統的分析與設計[D].北京：北京郵電大學，2012.

[4]楊堤.基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現[J].電子世界，2012（21）：16-17.

[5]姚繼明，梁云，李炳林，等.認知無線電在智能電網中的研究進展及發展趨勢[J].計算機科學，2013（Z11）：50-52.