傳感器技術在智慧康養中的應用探析

黃夢茹，陳志華，薛玉利

（山東青年政治學院，山東濟南 250103)

0 引言

2021 年，第七次全國人口普查結果顯示，60 歲及以上老年人口占總人口的18.7%，65歲及以上老年人口占總人口的13.5%。這兩個數據分別已超聯合國對老齡化社會定義的傳統標準10%和新標準7%，標志著我國已處于人口老齡化階段，且程度比較嚴重。于是，健康和養老成為關系著國計民生的社會熱點問題，引起廣泛關注，也迎來了巨大的發展契機。2016年國務院印發的《“健康中國2030”規劃綱要》中明確提出，到2030 年健康服務業總規模要達到16 萬億。政策的利好必定會帶動資本、技術、市場向康養產業集聚。隨著社會和經濟的發展，計算機技術、互聯網技術、單片機技術都得到迅猛發展，人們對康養的需求也不再局限于病后醫療和溫飽的滿足，而是向智能化、多功能化擴展，希望實現健康監測、疾病預防、智慧家居、智能可穿戴、智慧照護等功能。在萬物互聯的時代，智慧康養成為實現這一戰略目標的必經之路，而具有強大感知能力的傳感器，類似于人體的神經末梢，是系統實現過程中最為關鍵、不可或缺的要素，在智慧康養系統的實踐中具有重要的作用。

1 傳感器技術的應用現狀

傳感器是一類物理檢測器件，它能夠將力、熱、光、磁、離子等非電信號按照一定規則轉換成能夠被現代電子通信系統識別的電信號，該電信號經過傳輸和處理后可被人們感知，從而幫助人們獲得對原始信號的監測和認識，是實現智能監測和控制不可或缺的前驅部件。傳感器的種類繁多，分類方式也有很多，按照測量對象的不同可分為壓力傳感器、溫濕度傳感器、加速度傳感器、氣體傳感器等。不論哪種傳感器，在結構上都是由敏感元件、轉換元件、變換電路和輔助電源四個部分組成。其中，敏感元件負責原始信號的探測，轉換元件負責將探測到的原始信號轉換成電信號，變換電路負責將轉換出來的電信號進行放大、處理，輔助電源則是為整個器件提供能量。目前，傳感器技術已廣泛應用于各行各業，成為人們生產生活中不可或缺的一部分。

傳感器已廣泛應用于智慧農業建設，幫助搭建智能溫室大棚、實現農藥檢測等功能。朱斌應用溫濕度傳感器、光照傳感器和CO2傳感器作為感知模塊搭建了智能溫室大棚，并結合無線傳感和云平臺實現了對大棚內溫濕度、光照和CO2濃度的遠程監控[1]；冼進等人應用各類智能傳感器并結合主控芯片實現了對大棚內溫濕度、光照、CO2濃度和土壤溫濕度的實時監測、定時定點澆水灌溉、施肥，以及開關遮光棚和水泵等操作[2]。傳感器可用于各類環境監測場合，實現室外空氣質量監測、機房環境監測、配電室環境監測、煤礦環境監測、化工園區環境監測、居家環境監測等。應用的傳感器類別不同實現的監測功能和效果也不同[3-4]。智能傳感器可用于生物醫療領域，如，光纖布拉格光柵力覺傳感器可用于醫療過程中的力觸覺反饋、健康體征監測[5]；電化學傳感器可用于糖尿病標志物監測；生物傳感器可用于動物疫病監測等。傳感器還可應用于自動控制、智能交通、智慧家居等各行各業中，幫助實現智能監測和控制[6-7]。

目前，傳感器技術已初步應用于智慧康養行業。徐祥伍等人提出了基于失智癥老年人的智能家居適老化設計策略，該策略融入智能感知技術，可有效提升失智癥患者居家養老的質量[8]；聶影等人應用ADXL345 傾角傳感器實現老年人防跌倒檢測與報警系統，為其行動提供了安全預警保障[9]；許燕婷等人應用多種傳感器實現了對老年人血壓、心率、加速度、行走狀態等生理狀態參數的實時采集測量[10]；劉鈺應用多種傳感器開發了空巢老人智能監護系統，可實現對老年人睡眠質量、環境安全、心率、跌倒與定位等的監測[11]；張媛等人應用光纖傳感器實現對獨居老年人生活范圍中的圖像、聲音、氣體數據等的實時監測[12]；孔魯超等人采用光敏、溫度和火焰傳感器，實時監測老年人出行和廚房用火狀況，為空巢老年人提供全方位的居家安全保障[13]。此外，傳感器也被逐漸應用于智能可穿戴設備中，起到運動狀態監測、身體健康監測和疾病防治的作用[14-15]。

2 智慧康養行業的需求與解決方案

健康和養老是一個長期存在的話題，包含老年人的養老、醫療、養生等各方面，在此基礎上發展起來的智慧康養卻是一個新興的領域，其宗旨是面向老年人提供智能化的健康、養老產品或服務。因此，適老產品和服務的設計必須深入分析老年群體的特征。老年人由于個體新陳代謝速度變慢、身體機能下降，造成各類生理、心理問題頻發，如行動遲緩、腦梗、骨質疏松、健忘癥等，需要子女和家人付出大量時間成本去照護。為滿足老年群體在衣食住行各方面對健康、安全等的關切，各種康養模式陸續被提出，如生態養生、醫學結合養生、居家養老、機構養老、社區養老等。盡管各類康養模式仍在不斷地探索和發展中，但是可以肯定的是，任何一種模式的開展都離不開現代智能產品和服務的支持。因此，針對老年人群的特征和需求，智慧康養可在以下兩個方面開展：立足于老年人家居環境改善的智能家居和實現老年人健康監測的產品和服務。

2.1 智能家居

任何一種養老模式都必須充分滿足老年人對“住”的功能需求，從居住的舒適度、家居的安全性等各個方面，為老年人打造多功能化的、全屋化的、操作便捷的智能家居系統。該系統需要借助各類功能傳感器實現相關智能化操作。智能家居系統的功能實現與傳感器網絡架構，如圖1所示。

圖1 智能家居系統的功能實現與傳感器網絡架構

在門窗模塊中，通過溫度傳感器、光照度傳感器、風力傳感器、雨滴傳感器、PM2.5傳感器來感知室外光照、風力、降雨、空氣質量等信息，當監測值超出閾值范圍后，主控模塊會控制電機進行自動開關窗操作，以保障室內良好的空氣流通；通過人體紅外傳感器進行非法闖入監測和報警，以保障居家安全；通過內置有紅外傳感器的人臉識別模塊或內置有光學指紋傳感器的指紋模塊，實現智能開鎖，以有效解決老年人忘帶鑰匙的困擾。在室內環境模塊中，通過溫濕度傳感器、VOC氣體傳感器感知室內溫濕度和有機污染物的濃度信息，當監測值超出閾值范圍時，主控模塊會控制電機和繼電器進行通風、開關空調、空氣凈化等操作。在廚衛模塊中，通過燃氣傳感器、火焰紅外傳感器、水浸傳感器、CO氣體傳感器等對廚房的燃氣泄漏情況、廚房和衛生間的返水、漏水情況進行實時監測，以保障家居安全。在全屋燈光模塊中，通過光照度傳感器監測室內的光照度，并根據老年人的個體定制進行自動開、關、調光等操作。在智能家電模塊中，將以差壓傳感器、紅外熱釋電傳感器等多種傳感器為感知網絡的各類智能家電通過無線網絡接入主控端，方便老年人對家電進行便捷控制。可見，智慧家居中傳感器技術的應用，可以從生活中的各個細節為老年人打造一個安全、舒適的居家環境。

2.2 智能健康監測

實時監測老年人的生命體征數據是構建智慧康養系統的一個重要前提，相關的智能健康監測產品和服務有很多，如智能手環、血氧儀等。智能健康監測功能實現與傳感器網絡架構，如圖2所示。按照監測應用場所的不同，智能健康監測產品和服務大體可以分為兩類：應用于家庭內的日常健康監測產品和可外出佩戴的智能可穿戴產品。

圖2 智能健康監測的功能實現與傳感器網絡架構

2.2.1 日常健康監測

為老年人提供日常健康監測的產品和服務有很多，如血氧儀、血壓計、心率計等。其中，血氧儀中內置血氧（光電）傳感器，通過測量兩種不同波長透射光強度的變化，監測人體的血氧飽和度；血壓計中內置電阻/電容型氣體壓力傳感器，可監測人體血壓信息；心率計中內置心率（光電）傳感器，通過監測人體心跳時微弱的皮膚顏色改變引起的反射光強變化，來檢測心跳頻率……這些產品都是獨立的、功能較為單一的健康監測設備，不能為老人提供全面的日常健康監測服務。于是，在此基礎上，結合單片機和多種傳感器技術，將各種設備的單一監測功能進行集成，形成智能健康監測設備，以達到對老年體溫、血壓、心率、體重、血糖、血氧等信息的同時監測。當監測指標超過人體正常閾值范圍時，設備內置的主控模塊會提醒老年人及時關注自身健康問題、防止意外發生?？梢姡瑐鞲衅骷夹g已深入老年人日常健康監測的各類終端設備中。

2.2.2 智能可穿戴產品

日常健康監測設備在幫助老年人進行自我健康監測方面發揮了重要的作用，被廣泛應用于千家萬戶中，但由于設備本身的體積問題，此類設備不方便攜帶，當老年人外出時就無法進行實時的跟蹤和監測，而智能可穿戴設備的出現可以很好地解決這一問題。智能可穿戴設備對日常穿戴進行智能化開發，形成可穿戴的智能眼鏡、智能手表等，使對人體健康的實時監測成為可能。

針對老年人群體的智能可穿戴設備主要涉及運動監測/游戲和醫療保健兩類，其中以醫療保健產品居多。前者受眾相對較窄，面向老年戶外、健身愛好者和游戲愛好者開發，產品或服務多以智能手表、智能手環、智能頭盔、智能耳機為主要形式。其中，面向運動監測的智能可穿戴設備一般內置心率傳感器、步頻傳感器等，可實時地測量老年人的心率、運動步頻等。此外，根據運動形式的不同，市場上也存在各類特殊運動監測器件。如針對潛水運動開發的可穿戴設備，器件內部集成氣壓傳感器、水聽傳感器、潛水振動傳感器、加速度傳感器等，可實時監測氣壓、潛水深度、液氣泄漏情況等，可為潛水運動提供專業的數據參考和指導。后者受眾面廣，具有普適性，產品和服務囊括智能手表、智能手環、智能背心、智能腰帶、智能可植入芯片等，可按照佩戴的身體部位，分為頭戴式、腕帶式、身穿式、攜帶式，以及植入芯片式。這些產品內置各類傳感器，可實時測量老年人的心率、血氧濃度、血壓等各項生命體征指數，監測老年人的行走狀態（站、坐、走、跌倒），對老年群體的健康、疾病防治、人身安全等起到很好的監測和預警作用。綜上，智能可穿戴設備由于能夠實時監測老年人的生命體征數據，在智慧養老系統的構建中必將發揮重要的作用。

3 小結與展望

借助新一代信息技術和傳感器對物理、化學、生物信息優越的感知和轉換能力，構建智慧康養體系，從而讓龐大的老年群體老有所養、老有所依，并獲得個體身心健康和滿足，成為實現和諧社會、智慧社會必須解決的關鍵問題?？叼B是針對老年群體的健康、養生和養老，因而對傳感器的體積、精度等都有很高的要求。為滿足龐大的康養市場需求，傳感器必將向集成化、微型化、智能化方向發展，同時兼顧低功耗、低成本和親膚性，以適用于智能家居設備、智能可穿戴設備。此外，人們可以結合傳感器技術、物聯網技術和云計算技術，打造智慧康養平臺，通過密集的傳感器網絡采集各類數據，通過物聯網技術進行信息傳輸和上傳，通過云平臺對數據進行最終的整理、分析和決策，實現覆蓋全網的智慧康養產品和服務，以破除地域經濟和網絡建設發展不平衡的影響，為我國應對人口結構老齡化提供參考。