“互聯網+”等技術在居家養老應用方面的思考和研究

李欣悅

課題摘要：根據國家統計部門的數據，2018年末中國大陸65周歲及以上人口已占總人口的11.9%，中國正在快速老齡化。此外獨居老人和空巢老人增速加快，比重增高，城市老年人空巢家庭已達49.8%。老年人的生活保障，正在由家庭問題轉變成為社會問題。本課題正是在此背景下，研究、探討“互聯網+”等計算機科學技術在獨居老人和空巢老人居家養老中的應用方案，并且在此基礎上設計了一套簡單、易用的智能居家養老應用系統。

智能居家養老應用系統功能涵蓋健康保障、溝通交流、生活服務、文化娛樂等日常生活的方方面面，尤其注重老年人之間、老年人與社區之間的互動，幫助老年人更好地與外界交流，融入自己感興趣的社交圈，找到志趣相投的朋友。智能居家養老應用系統設計的功能簡單、易用。讓老年人不需要額外學習，通過語音指令就能使用幾乎所有的功能，面向老年人可操作性強，互動性好。讓現代的計算機科學技術切實地方便老年人的生活，保障他們的健康和安全，豐富老年人的精神文化生活。

課題關鍵詞：人口老齡化;互聯網+;智能居家養老;社區互連;生活服務

? 一、課題研究背景

根據國家統計局《2018年國民經濟和社會發展統計公報》[1]的統計數據，2018年末中國大陸總人口139538萬人，其中60周歲及以上人口24949萬人，占總人口的17.9%，65周歲及以上人口16658萬人，占總人口的11.9%。2019年2月23日，全國老齡委員會公布了本世紀《中國人口老齡化發展趨勢預測研究報告》[2]。根據報告，在不久的將來，展現在我們面前的將是一個銀發漸增的世界，2020年老年人口將達到2.48億。

獨居老人和空巢老人增速加快，比重增高，城市老年人空巢家庭已達49.8%，預計到 2020年，獨居老人和空巢老年人將增加到 1.18億人左右，獨居老人和空巢老人將成為老年人中的“主力軍”。

隨著筆者國城市化進程不斷加快，家庭模式越來越趨于小型化，加之城市生活的快節奏和高壓力，年輕子女陪伴父母的時間正在變少，使得筆者國傳統的家庭養老功能也正在逐漸弱化。

? 二、課題研究目標

本課題正是在此背景下，研究“互聯網+”等新一代計算機科學技術在獨居老人和空巢老人居家養老中的應用方案。

希望通過本課題的研究，能夠設計出一套支持家庭溫情養老模式的簡單、易用方案，即能滿足老年人對“家”和“親情”的心理需求，又能保障老年人的健康、安全、方便他們的對外溝通和日常生活、充實老年人的精神生活。

讓老人們“老有所依”、讓年青人輕裝上陣、努力工作，共建和諧社會、美好家園。

? 三、課題研究內容

為了實現課題目標，筆者在兩位指導老師的幫助下確定了項目方案，并最終完成一個簡單、易用的智能居家養老應用系統的設計。

系統在功能上需要支持居家養老人員的日常生活各方面，主要包括：健康保障、溝通協助、生活服務、日常幫助、文化娛樂等;并且借助于語音識別技術，做到簡單、易用，讓居家養老的老年人不需要額外學習，就可以輕松使用。

? 四、課題的研究方法

? （一）選題的確定

圖（1）系統架構圖

2019年1月份，筆者跟隨父母去醫院看望剛做完手術的外婆。外婆有嚴重的骨質疏松，一個人在家不小心摔倒后，因為沒有得到及時救助而大腿骨嚴重骨折，在醫院動了手術植入鋼板。醫生說，如果當時有人在家，而不是自己強撐著走動找手機打電話，骨折就不會這么嚴重。

圖（5）緊急求助示意圖

筆者由此產生了要研究設計一套智能居家養老系統的想法。通過這套系統讓像外婆一樣的老年人能夠在家安安心心地養老。不管是眼神不好，還是不會使用智能手機，都能方便地跟外界聯系，有緊急情況時也能及時得到救助，甚至能夠找到志趣相投的朋友，加入朋友圈參加自己感興趣的社會活動，讓老年生活不僅安全，也能豐富多彩不孤單。

盡管有了系統的模糊輪廓，但是筆者一時還不知道該如何入手。于是，筆者去學校找到了筆者們高一時的信息技術課朱老師，跟老師交流了筆者的想法。朱老師非常支持，他指導筆者查閱有關人口老年化、居家養老、智能家居以及目前已有的智能養老系統等各方面資料，并讓筆者直接向自己的年長親友、周邊年長鄰居進行調查，詢問他們對于居家養老的需求。當時正值寒假期間，筆者走訪了家中長輩，也電話調研了一些年長親友，整理出了居家養老的大致需求，對比了目前已有的智能養老系統的功能，發現還有很多居家養老的需求有待開發。

圖（6）未接電話查詢示意圖

開學后，筆者帶著調研的結果和查閱到的信息跟朱老師進行了交流和討論，選定了智能居家養老應用這一研究課題，準備設計一個簡單、易用的智能居家養老應用系統來完成這一課題。

? （二）系統的分析設計過程

要實現規劃中的系統功能，還需要頂層硬件平臺的支持。這時筆者在亞太管理學院學習時的老師向筆者推薦了南京林業大學自動化系的黃磊老師，黃老師教授智能控制等課程，正好能指導筆者的頂層實現。于是筆者電話預約了黃老師并去旁聽了黃老師的課程，還去參觀了他們的實驗室。黃老師給筆者推薦了《Arduino從基礎到實踐》[3]等相關書籍，于是筆者在黃老師的指導下開始了頂層開發平臺的理論學習和實際操作。

在黃老師和朱老師的指導和幫助下，結合之前調研、整理的需求，筆者完成了三層體系結構的設計，即社區服務層、居家養老中控層、數據采集層。選定了arduino開發平臺來實現底層功能。

系統的功能主要包括：健康保障、溝通協助、生活服務、日常幫助、文化娛樂等。

? （三）系統設計可行性的驗證過程

圖（2）總體功能示意圖

筆者在兩位指導老師的幫助下，于2019年3月30日完成了系統功能的初步設計。雖然在系統分析、設計過程中，筆者請教了指導老師，也查閱了arduino硬件開發平臺以及各主要功能模塊的技術資料，但是設計的系統功能究竟能不能實現、有沒有什么技術難點，以及能不能如設想的那樣讓老年人簡便地使用，這些都還沒有被驗證。

由于筆者時間所限，在短時間里無法完成本系統所有的開發工作，于是經過與指導老師的討論，決定找出關鍵的功能點，制定出開發計劃，按照重要性的順序先后進行開發驗證。

本系統中社區服務層與居家養老中控層之間的交互很多，能實現的功能也多，但基于互聯網的數據傳輸技術，完成這些功能技術上并不困難所以排在最后，等時間充裕的時候再予考慮。數據采集層需要采集用戶的心跳、血壓等健康數據并通過WIFI連接向居家養老中控層上傳數據，在發生緊急情況時，還需要向中控層發送緊急求助信號，這些是本系統健康保障功能的基礎，但通過產品搜索可知道，能完成健康數據采集功能的手環產品比較多，實現上沒有問題。所以本系統的關鍵功能點是：（1）底層硬件上居家養老中控層的主控板需要集成語音識別、GSM、SD、錄放音等功能模塊，完成通過語音指令撥打電話、朗讀接收到的短信、點播音頻節目等功能;（2）數據采集層需要驗證的是通過WIFI連接向居家養老中控層上傳數據，包括采集到的健康數據和一鍵求救信號。

圖（3）未讀短信查詢示意圖

根據計劃，筆者又花了10天左右時間用來學習arduino教程，研究arduino示例，接著花了5天時間查閱了能購買到的語音識別、SD、GSM、WIFI等相關模塊的技術資料。最終，筆者為家庭主控機選型了arduino Uno主控板、語音識別以及GSM、WIFI等主要功能模塊;為智能手環選型了arduino Nano主控板及心跳、步行等傳感器，并得到了黃老師的肯定。

圖（4）音頻點播示意圖

從2019年4月15日開始，筆者陸續收到了購買的arduino主控板及語音識別、GSM、WIFI等相關模塊，并正式開始了編碼以驗證系統設計的過程。

筆者對收到的各主要功能模塊開發板進行了基本功能的單獨測試。例如首先拿到的語音識別模塊，筆者先驗證了該模塊的語音識別能力，請了發音不標準的外婆進行了測試，識別關鍵詞基本沒有問題;之后又測試了該模塊對于中文文本的朗讀能力，確認發音清晰、斷句合理、語義完全能夠理解，至此本系統中比較關鍵的功能點語音識別和文本朗讀被確認可行。之后，筆者又分別測試了GSM、WIFI、SD等相關模塊。

完成了各模塊的單獨測試之后，筆者就開始集成arduino Uno主控板和各主要功能模塊。筆者在集成過程中，采用分步驟進行的工作方法，首先集成arduino Uno主控板和語音識別模塊，當語音識別模塊識別到關鍵詞后，把返回值發送給arduino主控板，由主控板進行關鍵詞分析處理，并把結果以字符串的形式返回給語音識別模塊，由后者為用戶進行朗讀并接收用戶的下一步指令以完成與用戶的交互。

在arduino Uno主控板和語音識別模塊集成的工作基本完成之后，筆者再加入了GSM模塊，之后是WIFI模塊，采用這樣的工作方式，筆者最終完成了根據用戶語音的指令查找未接電話、撥打聯系人電話、查找未讀短信并朗讀、通過語音指令控制家用電器;以及數據采集層與居家養老中控層之間通過WIFI連接進行數據傳輸等主要功能的開發和驗證。

于是上述兩點關鍵問題均得到可行的驗證。

? 五、課題的研究結果

筆者最終完成了一套智能居家養老應用系統的設計，系統說明如下：

? （一）系統簡介

系統的功能主要包括：健康保障、溝通協助、生活服務、日常幫助、文化娛樂等。

健康保障：1.收集居家養老人員步行、心跳、血壓等健康數據并生成簡單的健康報告，分析健康數據識別出異常情況并及時給予提醒。

2.提供一鍵求助功能，當居家老人獨自在家出現緊急情況時可以及時地得到救助。

溝通協助：1.幫助居家養老人員通過語音控制接打電話以及為他們朗讀收到的短信;當無人接聽電話時，通過本系統實現語音留言，不錯過任何重要信息。

2.幫助老年人更好地與周圍鄰居聯系，實現社區互連。借助于社區服務層存儲的本社區老年人的聯系信息，讓居家養老人員不必記憶所有鄰居的聯系方式，當有聯系需求時，可以通過姓名等信息在本社區內找人，并可以給鄰居留言，讓老年人的交友更方便。

生活服務：通過社區呼叫中心的電話接口，可以為居家養老人員提供一些日常生活的線下服務，例如生活用品配送、上門保潔等家政服務。

日常幫助：1.幫助老年人建立重要提醒事項，不錯過任何重要的日程。

2.通過語音指令控制各類家電，享受方便的智能家居生活。

文化娛樂：1.開通點播頻道：由社區系統維護的工作人員收集、上傳老年人喜歡的戲曲、相聲、樂曲、健康養生等音頻節目，居家養老的老年人可以根據自己的喜好點播后下載到本地收聽。

2.開通交友頻道：由社區的工作人員按照老年人的興趣愛好建立一些朋友圈，定期發布圈內信息，還可以組織圈內的線下活動并及時發布活動信息，圈內信息即時推送給加入圈子的圈友;老年人通過語音選擇自己喜歡的圈子并加入后，就能及時地接收到圈內信息，并可以根據自己的時間和健康狀況選擇參加線下活動。

? （二）系統優勢

雖然在課題開始調研時，通過網絡查找到目前已有一些智能居家養老方面的實施方案，但這些方案或側重于子女的APP客戶端，必須由子女通過APP關聯老人，為老人訂購商品與服務，而老人自己只能通過佩帶的智能設備進行簡單的通話、定位以及一些健康數據的采集;或偏重于服務端，提供居家養老人員的檔案建立、查詢統計、遠程視頻交互及一些養生知識、天氣預報等資訊的推送。

而對于大多數上了年紀真正需要幫助的居家老人們，因為不會使用智能設備終端，學習應用新技術新設備困難，且部分老年人由于視力原因，很多操作受到限制，所以目前能查詢到的居家養老實施方案老人們能實現的自主操作不多，不能對他們的溝通交流、日常生活、文化娛樂等方面提供充分的幫助。

本系統正是基于目前這種情況，以智能語音識別以及互聯網技術為基礎進行應用研究，功能涵蓋健康保障、溝通交流、生活服務、文化娛樂等日常生活的方方面面，尤其注重老年人之間、老年人與社區之間的互動，幫助老年人建立自己的圈子，找到志趣相投的朋友，豐富老年人的精神生活。

系統設計的功能簡單、易用。讓老年人不需要額外學習，通過語音指令就能使用幾乎所有的功能，面向老年人可操作性強、互動性好。讓現代的計算機科學技術，切實地方便老年人的生活，保障他們的健康和安全，豐富老年人的精神文化生活。

? （三）系統架構及主要功能

系統采用如圖所示的三層架構：

本課題采用的三層架構分別為：健康數據采集層、居家養老中控層、社區服務層。其中：

? 1.健康數據采集層

硬件上是采用arduino Nano主控板集成WIFI以及步行、心跳、血壓等傳感器搭建的智能手環;

實現居家人員的心跳、步行數據、血壓等健康數據的采集以及上傳，并提供一鍵求救功能，在緊急情況下通過WIFI向居家養老主控機發送求救信號，由主控機同時向社區以及指定的緊急聯系人發送求救信息。

? 2.居家養老中控層

硬件上是采用arduino Uno主控板集成語音識別、GSM以及WIFI等模塊搭建的智能居家養老主控機。

系統主要實現如下所述的四方面功能：

? （1）健康小幫手

收集居家養老人員的健康數據并生成簡單健康報告;異常健康數據的識別與報警;緊急情況求助等。

? （2）生活小助理

通過接入社區的生活服務中心，為居家養老人員提供日常生活用品采購、居家保潔等線下服務;通過語音指令建立重要事項記錄以便及時提醒，不錯過重要的日程;通過語音指令控制家電，享受智能家居的便利生活;接收社區下發的各類通知、通告等。

? （3）溝通小助手

幫助居家養老人員通過語音指令接打電話以及為他們朗讀收到的短信，當無人接聽電話時，通過本系統實現語音留言，不錯過任何重要信息。

社區內找人：根據姓名等信息在本社區內查找鄰居、留言，方便鄰里溝通。

? （4）快樂小能手

音頻節日點播：根據居家養老人員的語音指令，播放從社區服務器下載的音頻節目。

交友頻道：通過語音指令查找、加入或退出圈子;收聽圈內信息;報名圈內活動。

? 3.社區服務層

硬件上在社區層搭建智能居家養老應用服務器以及數據庫服務器。

數據庫服務器存儲的信息主要分兩大類，包括：本社區居家養老人員的個人信息，如聯系方式、健康情況、個人興趣愛好及加入的圈子等信息;本系統的應用數據，如建立的圈子及圈內信息、可供點播的相聲、戲曲一類的音頻文件等。

應用服務器提供的主要功能包括：

? （1）系統維護管理

居家養老人員的個人信息的維護：包括個人信息的整理、上傳等。

系統的應用數據維護：包括建立圈子，發布圈內信息;收集、更新相聲、戲曲等音頻節目。

? （2）社區呼叫中心

社區通知、通告的下發;緊急求救應急處理;幫助居家養老人員查找鄰居等功能。

? （3）社區警務中心

警務警情通告、提醒的下發;報警應急處理等功能。

? （4）社區醫務中心

體檢通知、體檢報告下發;異常健康報告的初步分析;應急救援處理等功能。

? （5）社區生活服務中心

組織圈子的線下活動，發布活動信息;日常生活用品的訂購/配送;居家保潔等線下服務。

? （四）總體功能說明

? 1.總體功能示意圖

? 2.總體功能說明

服務上以社區為中心建立居家養老應用系統，注重老年人之間、老年人與社區之間的互動，幫助老年人建立自己的圈子，找到志趣相投的朋友。

功能上以居家養老主控機為中心，通過與智能手環、社區養老服務中心的數據交互，完成系統的主要功能，包括：健康保障、溝通協助、生活服務、日常幫助、文化娛樂等。

? （五）關鍵功能示意

? 1.未讀短信查詢

功能說明：根據用戶的語音指令，查詢未讀短信并語音朗讀;根據用戶的要求回電或記錄重要事項以做備忘或提醒。

? 2.音頻點播

功能說明：居家養老用戶通過語音指令點播喜歡的音頻節目。

? 3.緊急求助

功能說明：老年人在緊急情況下，通過長按手環上的一鍵求助按鍵，發送緊急求助信號，居家養老主控機收到求救信號后向緊急聯系人發送求救短信;同時也向社區呼叫中心發送緊急求救信息，社區呼叫中心收到緊急求救信息后啟動應急處理，通知附近的社區工作人員或社區志愿者上門確認和施救。

? 4.未接電話查詢

功能說明：根據用戶的語音指令，查詢未接電話;根據用戶的要求回電或記錄重要事項以做備忘或提醒。

? 六、課題的分析和討論

系統驗證過程中也發現了一些問題有待進一步改進：

（一）語音識別模塊對單音字識別率較低，語音撥打電話時，僅能支持呼叫電話薄內已存儲的聯系人姓名，后繼需要尋找更好識別率的語音識別模塊或者加增數字鍵盤才能支持撥打任意電話號碼。

（二）GSM模塊不能直接發送中文短信，必須先轉碼，目前先支持英文短信收發，后續需要編碼解決這個問題。

（三）arduino Uno主控板的程序存儲空間較小，未來要實現系統設計的所有功能時，需要選擇更高端的主控板。

? 七、課題的研究結論

經過研究和驗證，筆者認為這套基于“互聯網+”等計算機科學技術的智能居家養老應用系統的解決方案是可行的，能夠實現本課題選題時預期的目標。

系統的建設和運行，能夠切實地方便老年人的日常生活，保障老年人的健康、安全、方便他們的對外溝通;通過這套以社區為應用中心的居家養老應用系統，能夠幫助老年人更好地建立外部聯系，尤其是本社區的老年人之間、老年人與社區之間的良好互動，讓老年人融入自己的生活圈，找到志趣相投的朋友，豐富老年人的精神生活。

致謝：感謝南京金陵中學河西分校信息技術課朱學興老師和南京林業大學自動化系黃磊老師在本課題研究過程中給予的熱情幫助和指導。

? 課題參考文獻：

[1]國家統計局.2018年國民經濟和社會發展統計公報.

[2]全國老齡委員會.中國人口老齡化發展趨勢預測研究報告.2019-2-23.

[3]米歇爾·麥克羅伯茨.Arduino從基礎到實踐.電子工業出版社，2013（3）.

（作者：南京市金陵中學河西分校高三（8）班）