淺談基于物聯網技術上的智慧養老建筑設計

文／鄧韋 江西省龍式建筑開發集團公司 江西南昌 330046

劉翔威 北京電子科技學院 北京 100071

1、引言

物聯網（IoT）用途廣泛，遍及智能建筑(Intelligent building)、智能家居(Smarthome)、智能交通、智能電網、環境保護、公共安全、工業監控等多個領域，具有廣闊的應用前景。就行業應用來看，在智能建筑領域推廣物聯網技術其技術條件與市場條件最為成熟，物聯網技術與智能建筑技術相結合，將可以產生巨大的經濟和社會效益。伴隨著老齡化社會的到來，養老在我國乃至全球己成為一個最大的社會問題，而賴以養老的建筑已經越來越不適應現代社會的特點和人們對生活品質的追求。這就要求我們的從業者能充分利用現代科技成果，特別是應用物聯網技術為老年人居家養老、社區養老開辟一個嶄新的空間，給老年人一個安心舒適的家。現代老年建筑不僅要考慮建筑功能的人性化，還要充分考慮老年人的生理、心理特點，從細節入手做到適老性(Aged) 要求。

2、養老建筑迫切升級換代的時代背景

2.1 人口老齡化程度加深

根據 2021年 5月 11日第七次人口普查結果公布：截止2020年 11月 1日零時，60 歲及以上人口為 26402［1］萬人， 占18.70%(其中，65 歲及以上人口為19064 萬人，占13.50%)，與2010年相比，60 歲及以上人口的比重分別上升5.44 個百分點。全國老年人口撫養比為19.70%，比2010年提高7.80 個百分點。國際觀點認為，當一個國家或地區65歲及以上人口占總人口的7%時，就已被認定為老齡化社會(Agingsociety)。當這個比例超過14%時，為老齡社會。這表明中國已經從老齡化社會發展到老齡社會，其形式非常迫切，這還是在近年我國人口生育政策不斷積極調整的結果。

2.2 養老問題突出

我國剛剛在2020年全面完成脫貧攻堅任務，人均 GDP剛過 1 萬美元，按照國家中長期發展目標，2050年達到發達國家水平還有很長的路要走。由于中國長期實施計劃生育政策，現在中國已經進入“未富先老”的社會階段，如何贍養家中的老人是現在很多家庭的一個大問題。夫妻二人撫養一個孩子、贍養四個老人的家庭和“空巢老人(Emptynester)”的大量出現，對國家和社會都是一個嚴峻挑戰，致使養老問題成為社會的突出問題也就不足為奇了。

2.3 養老建筑和設施短缺、落后

根據《2020年度國家老齡事業發展公報》統計，截至2020年年底，全國共有各類養老機構和設施32.9 萬個，養老床位合計821.0 萬張，每千名老年人擁有養老床位31.1 張。養老床位的一床難求的矛盾還是相當的突出，雖然民政部和國家發改委推出了“家庭養老床位和實施特殊困難老年人家庭適老化改造”，也就是我們常說的“居家養老”。而大量城市老人居住的小區往往建筑結構和設施陳舊，根本不適合養老，包括廣大農村老人居住地的適老性改造任務繁重而又緊迫。

3、目前我國建筑在適老性方面存在的問題

3.1 需改造提升的養老建筑數量宏大

我國在2014年5月1日頒布實施的《養老設施建筑設計規范》（GB50867-2013）除了國家強制執行的二條標準（第3.0.7 條、第 5.2.1 條）在一些新建小區執行得比較好以外，其他老舊小區大多還在等待改造中，這還不包括廣大農村地區的居家建筑，更是沒有一個準確的統計數據可以參考。更遑論規范中其他條款的執行情況，由此也可以看出我們養老建筑的提升空間有多大，養老建筑設施的改造也必將是個朝陽產業。

3.2 養老建筑的智能化還處于起步階段

我們國家剛剛在2020年實現了全面建成小康社會的目標，但是還有少數的家庭甚至剛剛擺脫貧困，國民的生活水準還是處于不高的階段。過去幾十年房地產高速發展形成的泡沫化，造就房價高企，對養老建筑的適老性的理解在建筑行業也還處于認知階段，還談不上重視。這也決定了我們智能化(Intelligent)、網絡化 (Networking)的現代技術在其他領域能夠大行其道，做得風生水起，而在建筑領域尤其是在養老建筑這方面卻鮮有嘗試者，這種現象不符合我們對家溫暖舒適便利性的人生追求，更不符合我們中華民族“孝老愛親”的良好傳統。

4、物聯網技術和養老建筑新設計理念的結合

4.1 物聯網的起源與現在

物聯網的鼻祖是互聯網，互聯網是20世紀繼電報、電話、無線電、電腦之后的又一個偉大發明，全世界的電腦能夠通過互聯網聯系起來，進行通訊或分享訊息資源。互聯網的飛速發展到今天已經徹底改變著我們的世界，也改變著我們的生活。細看互聯網的發展你就會發現，之前我們使用互聯網檢索信息，這時的互聯網連接的是“人與信息”，可以廣義地稱之為“人與物”。

21世紀初，隨著3G 移動通信網絡的建設和以iphone 為代表的智能手機的發布，人們可以通過智能手機這一移動 終端更方便地上網，獲取信息服務。尤其是隨著APP 應用市場的開放，所有開發者都可以共享智能手機的計算和網絡通信資源，以APP 應用的形式向每個用戶呈現各種信息和服務，大大降低了人們獲取知識的門檻。信息化提高了信息獲取和應用的便利性，催生了社交、電子商務、移動支付、新聞聚合、生活服務等各個領域的超級 APP。這個時期可以看作是人們通過智能手機上網獲取信息服務的時代，也就是移動互聯網時代。

而互聯網把“物與物”“物與人”都聯接起來——我們則稱之為物聯網或者稱萬物互聯（IOT），它是互聯網的2.0升級版。中國已經拿到物聯網最高話語權，所以物聯網也是國家高度重視的一個發展方向，比如智能制造2025、車聯網、工業互聯網等，它其實也是物聯網中的一部分，標志著物聯網時代正向我們走來。

4.2 物聯網技術對養老建筑設計理念的啟迪

養老建筑的新設計理念要求解決兩個問題：一個是老人行走、用手的無障礙(Accessibility)，另外一個就是建筑色彩的易辨識、易觸摸，遵循的是“怎么舒服怎么方便，就怎么設計”，是對建筑人性化的高度體現和表達。這是一個對生理機能日益衰弱或殘疾者的“再造之術”，從另外一個意義上來說延伸了人的生命長度，提高了人類的生活質量，促進了社會的進步。

而現代物聯網技術顧名思義，就是將事物連接起來形成一個互聯網，實現信息和數據的傳輸和交換，是一種網絡化、智能化的高度融合，它能實現對養老建筑的“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化，體現人性簡單、簡約的生活方式。很多老人由于沒有趕上互聯網（NET）的時代步伐，常常為各種系統、軟件、“APP”等網絡知識的學習及使用而費神費力，又常常為面對家里數量眾多的各種電器及“遙控器”(Remoter)、說明書而煩惱，物聯網的“萬物互聯”和“集大成”理念必將給老年人的生活便利和舒適度帶上一個嶄新的高度，給每一個老年人提供一個“隨心所動”的養老環境。

5、未來養老建筑的物聯網技術

作為互聯網的延伸，物聯網利用通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯在一起，形成人與物、物與物相聯，而它對于信息端的云計算和實體段的相關傳感設備的需求，使得產業內的聯合成為未來必然趨勢，也為實際應用的領域打開無限可能。

5.1 物聯網的養老建筑定義

物聯網的養老建筑指的是將養老建筑空間內所有的末端家居設備（Devices）和生活設施（Facilities）通過各種無線和/或有線的長距離和/或短距離通訊網絡實現互聯互通，應用大集成以及基于云計算的軟件營運服務模式，在網絡環境下，采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控乃至適老性的實時在線監測、定位跟蹤、報警與醫患聯動、家人互動、遠程控制、安全防摔、遠程維保、在線升級等管理和服務功能。

5.2 養老建筑要實現物聯網需突破的技術要點

養老建筑的物聯網設計首先要解決的問題是:智能家居和設備設施控制總線的互聯互通，數據表達、交換，與處理的標準以及應用支撐的中間件架構問題。2021年 5月12日CSA 連接標準聯盟新推出一個旨在簡化制造商的開發并提高消費者的兼容性matter 應用層協議，目的就是實現智能家居設備能安全、可靠和無縫使用[2］。該項目以網際互聯協議(IP)為基礎，并為設備定義一組基于IP 的網絡技術。

（如上圖1所示，matter 定義了部署在設備上的基于IPv6 網絡的用層，以實現互操作性架構目標）

圖1

matter 的網絡拓撲結構（計算機術語，是指用傳輸才質互連各種設備的物理布局。網絡中的計算機等設備要實現互聯，就需要以一定的結構方式進行連接，這種連接方式就叫做“拓撲結構”，通俗地講就是這些網絡設備是如何連接在一起的）：

（如上圖2就是建筑物內一個簡單的物聯網拓撲結構圖）

圖2

設備通過藍牙加入到matter 網絡，設備通過Wi-Fi 或Thread（計算機術語，Google 旗下Nest Labs 于2014年7月提出的家庭物聯網通訊協定技術Thread）相互連接，Wi-Fi 組成星形網絡，Thread 組成Mesh（計算機術語，無線網格）網絡。Thread 設備通過邊界路由器(Border Routers)連接到其它的基于IP 的網絡，網橋可以連接到其他協議的設備，例如Zigbee（計算機術語，也稱“紫蜂”，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議）和Z-Wave。

matter 協議應用市場包括建筑內的照明、電工、門鎖、百葉窗、電視、暖通和空調系統、安全傳感器和控制器，網關等許多設備。

其次要實現養老建筑物的物聯網化，還有一個重要的技術難題要解決的便是一些傳感器和傳感器網絡的關鍵技術。在嵌入式移動設備中，比如智能手機，智能穿戴，家用醫療設備和其他一些智能硬件設備，所用到的物理傳感器一般都是MEMS 傳感器即微機電系統（MicroelectroMechanical System）傳感器。經過幾十年的發展，已經成為了世界矚目的重要科技之一，同時也涉及到了電子、機械、物理學等多學科的領域。和傳統的傳感器相比，MEMS 傳感器體積更小，重量輕，成本低，功耗低，可靠性高，具有集成開發等優勢。

最后那就是一個成熟完整的物聯網系統（HomeAssistant）是構建養老建筑智慧空間的神器。一個基于Python（計算機術語計算機編程語言）的智能家居、UI（計算機術語，用戶界面）客制化（Theme)等等高度定制化設置。同樣實現設備的Siri（計算機術語，蘋果智能語音助手）控制。基于物聯化，可以方便地連接各種外部設備（智能設備、攝像頭、郵件、短消息、云服務等，成熟的可連接組件有近千種），手動或按照自己的需求自動化地聯動這些外部設備，構建隨心所欲的智慧空間。

物聯網系統也像是一個運行智能規則的大腦，它可以與豐富的外部設備聯動——獲得信息、發送指令。它聯接的設備和傳感器內容豐富：

像Android 手機攝像頭——獲得攝像頭的視頻流類似的，所有支持標準協議的硬件攝像頭都可以接入。人臉識別——基于視頻流，識別出其中的人臉是誰類似的，可以基于視頻流進行文字識別、動作探測、噪音監控……。

像百度文字轉語音服務——通過百度免費的TTS 服務，將文字（比如天氣預報等文字信息）轉換成語音（MP3）類似的，也可以使用voiceRSS、Google 等的服務。

像KODI 媒體播放器——將語音信號通過硬件播放出來類似的，可以用VLC、Gstreamer 等軟件，也可以直接連接外部的各種藍牙音箱。

像亞馬遜 ECHO——與亞馬遜 ECHO 進行聯動類似的，可以與各種外部的智能引擎聯動，可以與蘋果手機（Siri）進行聯動，可以與GoogleAssistant 聯動，可以與IFTTT 聯動。

像小米溫濕度傳感器——獲得環境的溫濕度信息類似的，小米系列的各種傳感器門窗開合、人體感應等都可以接入。

像Philips 智能燈——控制Philips 智能燈的開關、顏色、亮度類似的，小米智能燈、智能開關、宜家智能燈也可以被控制，還可以通過紅外轉發控制傳統家電。

像發送郵件——可以發送郵件通知類似的，也可以發送手機短消息。Arduino——DIY 的樂園類似的，可以自己寫一些腳本、做一些串口設備，都可以聯動起來……。

我們把可以連接到物聯網系統大腦上的外部設備、程序、云服務統稱為積木元素——就像搭樂高積木一樣，物聯網系統像膠水一樣把不同積木粘合在一起，構建起養老建筑的智慧空間。

6、物聯網技術在養老建筑上的應用和廣闊前景

由于老年人身體相對的“弱勢”狀況，這就決定了養老建筑內互聯 的“中樞”物聯網系統，它需要大量而又豐富的組件就像大腦需要神經系統的神經元一樣，通過組件連接外部世界。組件與組件之間會有相互的交互，但一般會通過hass（計算機術語，物聯網系統運行的程序實例，俗稱進程）內核中的狀態、事件、服務機制來進行；類似于眼睛與手不會直接相互作用，但都連接到大腦，由大腦協調它們的相互作用。這就為養老建筑搭起了一個萬物互聯的平臺和空間。

接下來我們需要安裝傳感器在養老建筑的房間內監測和收集基礎數據，一般可以部署以下傳感器［3］：(表1)

表1

通過物聯網matter 通訊協議收集相關的數據，最后匯總到網關路由并在養老建筑物聯網系統中做匯總和展示，再通過平臺軟件及中間件軟件，把未來的和現有的智能物件和子系統鏈接起來，實現應用的大集成（GrandIntegration）和“管控營一體化”，躺在床上的老人也能隨心所欲地完成他要的動作和服務，下面我們從四個重要方面舉例物聯網技術在老年人建筑中的應用：

6.1 物聯網技術在老人摔倒監測中應用

科學家在老年人建筑中的物聯網平臺設置地板振動和聲音感知的跌落檢測系統，從房屋內位置傳感器信號中提取時間和光譜特征，應用貝葉斯分類器對跌倒和非跌倒活動進行分類。在他們的研究中，使用一個模仿人類的洋娃娃來模擬摔倒，他們的系統檢測到這種摔倒，摔倒檢出率為97.5%，錯誤檢出率為1.4%。科研人員設計在浴室安裝了一套紅外光敏電阻，使用Arduino 進行控制，通過檢查人體對紅外激光的遮擋來判斷是否跌倒，該系統的優勢在于它使用了光屏障而不是圖像識別來識別摔倒的人，同時收集到的數據可以通過XBee 模塊和Wi-Fi 的網關無線傳輸到服務器上（如圖3所示）。［4］

圖3

6.2 物聯網技術在無鑰匙進門系統中的應用

為幫助解決老人找鑰匙難，意外事件進戶難的問題。我們設計了基于物聯網的無鑰匙進入系統［5］，替換傳統的鑰匙進入的方式，取而代之使用生物識別作為入戶的憑證依據。由于接入了物聯網網關，設定好親人的聯系方式，可以采用遠程控制的方式，對門鎖進行控制，方便解決緊急情況下進入需求。

6.3 物聯網技術在智能控制中的應用

基于光感器、溫度計、氣壓計、紫外線、PM2.5 傳感器的智能控制系統［6］，結合機器學習模型算法，可以自動控制窗戶和窗簾開關程度。基于物聯網的通訊協議，結合自然語言處理能力，可以做到被老人無縫控制開關。該系統可以應用于電燈、家電、窗戶等設施的開關上，結合自動化和半自動化策略，能夠方便的解決老人腿腳不方便的場合下的設備控制和使用。

6.4 物聯網技術在適老性方面的應用

(1)殘疾人上下床設備：能為老年人或行動不便者提供一個舒適護理環境，大大減輕護理人員的工作強度，可廣泛用于家庭、病房等；

(2)“失禁感應器”：裝在床邊的墻上，如果老人失禁尿濕了褥單，感應器就會發出通知。尿不濕上裝有電極，通過軟導線鏈接報警器的開關電路，通過開關電路輸出信號；電動入浴設施：行動不便及坐輪椅的老人，可以運用設備，在沐浴時可以根據老人需要，調整位置；

(3)探知感應設施：當老人上廁所30 分鐘以上時， 感應設施便會及時向看護人員報警；

(4)登樓機：一種座椅式電梯 ，老人可以坐著爬樓梯，打開座椅下方的電源，系上安全帶，操縱啟動手柄，座椅式電梯載著乘坐人員，徐徐上爬；

(5)還有感應式馬桶和智能手環，在我們互聯網時代就已經大行其道都可以物聯網化，實現對老人如廁及血壓、睡眠質量等各項信息、數據的監測，對數據進行分析反饋；

(6)健身設施互聯互控，不出家門即可跟著電子屏跳操健身；

(7)養老建筑內需救助的老人與家人、社區、110（匪警）、119（火警）、120（醫療救護）互聯互通，保證無助時能實現“應救能救”的溫暖和諧社會。

結束語：

物聯網技術給我們老年人和將成為老年人的朋友們提供了一個無限可能的理想生活，也必將成為21世紀人們的努力奮斗方向。但在目前還存在以下三個方面的問題：一是高昂的造價和使用成本，施工周期也長；二是各個制造廠商的通信協議還沒有真正開放，技術整合任重道遠；三是軟件的可靠性和系統的擴展性都是我們需要面對的難題。不過互聯網和5G 技術的發展旅程告訴我們，現代技術的進步往往會超過人類想象的空間，我們有理由期待一個萬物互聯世界的出現，有理由相信我們老年人能用物聯網實現自己想要的“家”。