一個助力居家養(yǎng)老智能手環(huán)的設計研究

李天瑜 吳奕咖 吳馨怡 王佳妮 馬蕭麗 陳昌騰

摘要：該項目是在社區(qū)養(yǎng)老的基礎上，為居家老人設計的一款具備健康檢測、一鍵求助社區(qū)功能的智能輕便手環(huán)。該產(chǎn)品以方言識別為特色，旨在解決老人語言溝通問題，助力老人實現(xiàn)居家養(yǎng)老。

關鍵詞：居家養(yǎng)老；智能手環(huán)；方言

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0084-03

1 研究背景及意義

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，由于老人跨地域流動日益頻繁，養(yǎng)老服務信息經(jīng)常會在不同城市、不同社區(qū)之間進行轉(zhuǎn)移，這加大了社區(qū)居家養(yǎng)老服務工作的難度[1]。因此，讓科技賦能，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+養(yǎng)老”，用數(shù)字科技驅(qū)動養(yǎng)老行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，提升傳統(tǒng)養(yǎng)老服務，已成為必然選擇。

“智慧養(yǎng)老”目前已成為改革傳統(tǒng)養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)、推動養(yǎng)老服務智能化發(fā)展的關鍵動力。它是指在原先的社區(qū)養(yǎng)老基礎上，加入物聯(lián)化（利用可穿戴設備技術(shù)對健康進行遠程監(jiān)測、疾病預防和管理，提高醫(yī)療保健效率）、互聯(lián)化、智能化的養(yǎng)老服務，主要面向以居家型為養(yǎng)老模式的老年人[2]。

2020年，關磊等人[3]提出以便攜式智能可穿戴設備為媒介，依托GSM通信技術(shù)，建立物聯(lián)網(wǎng)智能養(yǎng)老系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在子女客戶終端和社區(qū)服務平臺終端顯示老人的生活狀態(tài)并及時做出反應。同年，王小榮等人[4]提出構(gòu)建智慧居家養(yǎng)老服務系統(tǒng)，實現(xiàn)智能手機APP應用、家庭自動化家電和身體健康監(jiān)測設備與社區(qū)端、子女端進行信息交互，使子女能夠了解父母的健康狀況。因此，可穿戴式智能養(yǎng)老手環(huán)作為物聯(lián)化智慧養(yǎng)老模式的載體，其出現(xiàn)可以極大地滿足老年人及其子女的需求。

智慧養(yǎng)老系統(tǒng)通過芯片植入智能可穿戴設備和5G技術(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控老年人健康、生活及突發(fā)情況，提供無時空限制的居家養(yǎng)老服務，從而減輕子女的養(yǎng)老負擔。系統(tǒng)工作原理主要分為三個步驟：數(shù)據(jù)采集、客戶端上傳、后臺分析判斷，共同構(gòu)成信息化、智能化的智慧養(yǎng)老系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用信息化拓寬養(yǎng)老服務渠道，整合居家老人、社區(qū)和養(yǎng)老資源，推動養(yǎng)老服務智能化轉(zhuǎn)型。目前市場上的智能手環(huán)主要面向中青年，而針對老年人的手環(huán)存在操作復雜、功能不完善等問題。因此，本文在傳統(tǒng)可穿戴養(yǎng)老設備的基礎上引入方言識別技術(shù)，旨在解決老年人語言交流障礙，并增加社交功能，讓居家老人能夠享受社區(qū)交友和分享生活的零距離體驗。

2 產(chǎn)品設計

本產(chǎn)品是一款集通訊、社交、醫(yī)療功能于一體的智能手環(huán)。它巧妙利用可穿戴設備技術(shù)，對老人的健康狀況進行遠程監(jiān)測，有效預防和管理疾病，從而提高醫(yī)療保健效率。

2.1 心率監(jiān)測

心率、呼吸率、血氧飽和度是反映人體生理狀況的重要信號。目前，高精度心率測量的方法包括心電圖、脈搏血氧儀、光體積描記術(shù)等[5]。本款專為老年人設計的智能手環(huán)在健康監(jiān)測方面繼承了眾多智能穿戴設備的基礎功能。在心率監(jiān)測方面，本產(chǎn)品采用了光電容積脈搏波描記法（PPG） ，通過光電手段檢測人體組織中的血液容積變化。當特定波長的光束照射到皮膚表面時，未被皮膚組織吸收的散射光會返回并被光電傳感器接收，進而轉(zhuǎn)換成電信號。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后，這些電信號最終反映為心率和血氧飽和度的數(shù)字信號，由芯片處理并傳輸。本系統(tǒng)全天候監(jiān)測用戶心率，一旦檢測到異常，會立即向手環(huán)關聯(lián)的手機用戶發(fā)出警報，并通過鈴聲提醒使用者尋找安全舒適的地方休息。同時，手環(huán)主界面會顯示紅色異常提醒，向路人傳達需要幫助的信息。

2.2 睡眠監(jiān)測

本產(chǎn)品利用光電容積脈搏波描記法測量脈搏率，進而計算心率與心電圖相關參數(shù)（如心率變異性HRV） 。通過應用心肺耦合算法，可以計算出呼吸頻率。這種方法通過過濾非呼吸誘導的心率變化引起的功率譜，提高了診斷的實用性，從而實現(xiàn)對用戶睡眠數(shù)據(jù)的深入分析。本設備旨在通過睡眠監(jiān)測為用戶提供有益的睡眠信息和建議，幫助改善睡眠質(zhì)量。同時，能有效屏蔽老年人休息時的消息和電話提醒，為他們營造一個良好的睡眠環(huán)境。

2.3 跌倒檢測預警

本產(chǎn)品在老年人智能手環(huán)設計中特別加入了跌倒預警模塊，以應對老年人可能發(fā)生的突發(fā)性跌倒。該模塊通過ADXL345傾角傳感器實時采集老人在日?；顒又挟a(chǎn)生的傾角數(shù)據(jù)。傳感器能夠采集X、Y、Z 三個方向的加速度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳送至單片機STC89C52進行處理，從而判斷老年人的運動狀態(tài)[6]。一旦系統(tǒng)檢測到跌倒狀態(tài)，會立即發(fā)出報警聲音，提醒老人及周圍人群。同時，系統(tǒng)還會發(fā)送報警短信至相關人員的手機，以最大限度地減輕老人可能遭受的傷害，并及時提醒他們尋求醫(yī)療援助。

3 產(chǎn)品特色和創(chuàng)新點

本文對智能養(yǎng)老手環(huán)提出以下創(chuàng)新點：（1） 在傳統(tǒng)手環(huán)的常規(guī)功能基礎上增加了自動報醫(yī)模塊和社區(qū)服務功能。老人可通過手環(huán)一鍵求助社區(qū)，用以解決一些日常生活需求或?qū)で笊踩戎?。?） 方言識別技術(shù)。從20世紀50年代開始，人們便對方言識別技術(shù)展開研究。最早的語音識別系統(tǒng)基于模擬電路實現(xiàn)，且僅能處理有限的詞匯。經(jīng)過多年研究，至2020年，最新的發(fā)展包括使用Transformer模型進行語音識別、自監(jiān)督學習減少標注數(shù)據(jù)需求、聯(lián)合學習語音識別和語義理解等。與其他技術(shù)領域的交叉應用，如自然語言處理和知識圖譜結(jié)合，推動了語音識別技術(shù)的創(chuàng)新，方言識別技術(shù)也更為成熟。本產(chǎn)品采用基于遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡（RNN） 的在線方言識別算法和基于聲學模型的快速方言識別方法，使實時場景下的方言識別更高效穩(wěn)定，為老人提供更好的服務。以浙江方言為例，聲學模型訓練流程如圖1所示。

3.1 自動報醫(yī)

主要實現(xiàn)對老年人階段性的生命體征數(shù)據(jù)的分析，具有輔助診療和及時報醫(yī)的作用。養(yǎng)老手環(huán)作為老年人身體數(shù)據(jù)的采集端，確保在老年人居家睡眠及戶外活動期間，能夠?qū)崿F(xiàn)24小時不間斷的生命體征數(shù)據(jù)（包括呼吸頻率、血壓、心率、血氧飽和度等）采集并上傳至生命體征監(jiān)測服務器[7]。通過5G通信技術(shù)，實現(xiàn)與簽約醫(yī)療中心服務器之間的持續(xù)通信、傳輸和存儲。日常累積的生命體征健康監(jiān)測數(shù)據(jù)將以量化的形式展現(xiàn)。當身體某項指標急劇飆升或驟降偏離標準值時，智能手環(huán)將自動開啟120呼叫模式，并自動向急救中心提供使用者在智能手環(huán)中綁定的家庭、用戶信息，同時自動定位當前地點，并通過手環(huán)的通話功能向接聽者播報，從而為使用者的安全保駕護航。同時，為防止手環(huán)對信息的誤判，使用者能在十秒內(nèi)通過長按手環(huán)屏幕來取消自動報醫(yī)功能，減少對醫(yī)療資源的浪費。

3.2 方言一鍵求助

傳統(tǒng)智能手環(huán)的語音識別技術(shù)主要服務于普通話用戶，解決一些基本問題，但在對老年人的人文關懷方面尚存不足。本產(chǎn)品的創(chuàng)新之處在于融入了方言識別技術(shù)，使其更貼近老年用戶的實際需求，并根據(jù)這一創(chuàng)新功能滿足老年人多樣化的使用場景。

3.2.1 上門維修服務

在當今社會，獨居老人在物品維修方面普遍面臨以下三種情況：一是隨著科技不斷進步，家電更新?lián)Q代速度加快，許多老年人對于電子產(chǎn)品的維修感到困難；二是由于老年人身體機能下降，對于高處的燈泡、低處的水管等難以進行維修；三是獨居老人信息獲取渠道有限，難以自行找到維修工人上門服務。針對這些問題，本產(chǎn)品在一鍵求助功能中加入了上門維修服務。老人在遇到需要維修的情況時，只需按下一鍵求助按鈕，用普通話或方言說明需求，系統(tǒng)識別并處理后，將信息傳輸至社區(qū)端。社區(qū)核實信息后，會安排合適的維修人員上門服務。若用戶滿意，維修任務即告完成；若有其他問題，可進一步協(xié)商解決。此外，若手環(huán)本身出現(xiàn)故障，用戶可通過特定按鈕觸發(fā)維修需求，云服務平臺接收并處理相關信息，確保維修服務的高效協(xié)調(diào)。

3.2.2 求救求助服務

本手環(huán)基于云計算、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、太陽能技術(shù)、5G和GPS服務，構(gòu)建了一個集一鍵報警、廣播、視頻報警、語音報警、聯(lián)網(wǎng)報警、遠程喊話、報警定位和網(wǎng)絡報警于一體的緊急求救和語音廣播聯(lián)網(wǎng)報警平臺。該平臺具有報警及時、方便、隱蔽的特點，并能自動彈出報警定位和現(xiàn)場視頻，極大彌補了現(xiàn)有報警系統(tǒng)的不足，滿足了人員實時報警的需求。

本手環(huán)的求救服務主要包括兩個方面：一是通過健康檢測功能，當系統(tǒng)檢測到老人某項或某些指標異常時，會及時通知社區(qū)，社區(qū)將根據(jù)情況派出工作人員前往查看或送醫(yī)；二是當老人遇到突發(fā)情況但系統(tǒng)無法檢測時，可長按一鍵求助按鈕，通過語音向社區(qū)傳達求助信息。若20秒內(nèi)無聲音，系統(tǒng)將自動開啟緊急通報模式，彈出報警定位和現(xiàn)場視頻，并向預設的緊急聯(lián)系人或監(jiān)護人發(fā)送求助信息，同時通知社區(qū)派人前往老人所在地。此外，手環(huán)還設有日常求助功能鍵，方便老人在日常生活中遇到其他問題時向社區(qū)或聯(lián)系人求助。手環(huán)內(nèi)部的傳感器和通信模塊能夠?qū)崟r檢測用戶操作、獲取位置信息，并通過無線通信方式將信息傳輸給接收端，確保求助信息的及時傳遞和處理。

4 市場前景預測

4.1 老齡化程度加深

根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，截至2022年底，我國60周歲及以上老年人口總數(shù)已達到28 004萬人，占總?cè)丝诘?9.8%。其中，65歲及以上的老年人口更是占總?cè)丝诘?4.9%。與前一年相比，60歲及以上的老年人口增加了1 268萬人，老齡化程度進一步加劇。由于人口的出生率持續(xù)走低，獨生子女數(shù)量不斷增加，空巢老人和失能老人的比例也呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。目前，空巢老人的數(shù)量已高達1億，失能老人數(shù)量也超過了4 000萬。這使得許多老年人面臨著老無所養(yǎng)、老無所依的困境，我國的養(yǎng)老問題日益凸顯。因此，可以認為本產(chǎn)品的市場潛在消費人群非常龐大[8]。

在當前社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，年輕人為了工作而忙碌奔波，往往忽視了對父母的照顧，甚至在父母遇到問題時也不能及時趕回。獨居在家的年邁父母由于缺乏有效的護理和監(jiān)護，往往無法及時察覺異常情況，這常常造成無法挽回的遺憾。因此，本產(chǎn)品的推出不僅有效緩和了老齡化現(xiàn)階段的困境，也大大減輕了年輕人的壓力。

4.2 智能養(yǎng)老市場存在缺口

當前，中國正處于老齡化的加速期，這給整個養(yǎng)老體系帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的養(yǎng)老機構(gòu)和家庭養(yǎng)老模式在應對這一挑戰(zhàn)時，面臨著諸多問題和困難。因此，開發(fā)以社區(qū)為基礎的新型智慧養(yǎng)老模式顯得尤為迫切和重要。社區(qū)養(yǎng)老模式以家庭為核心、社區(qū)為基礎，為老年人提供日間照料、生活護理、家政服務和精神慰藉等服務。然而，作為新養(yǎng)老模式的“社區(qū)養(yǎng)老”目前仍處于初期開拓發(fā)展階段，存在設施不完善、養(yǎng)老設施質(zhì)量參差不齊、人員素質(zhì)不一等問題，這使得部分受眾對此持謹慎態(tài)度。

本產(chǎn)品通過提出智慧養(yǎng)老的概念，在傳統(tǒng)社區(qū)養(yǎng)老的基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和智能技術(shù)，提供更智能化的養(yǎng)老服務，旨在應對我國老齡化所帶來的社會困境，如空巢家庭增多、社區(qū)養(yǎng)老設施不足等問題，從而有效彌補市場缺口。

5 結(jié)束語

本文詳細介紹了智能手環(huán)在智慧養(yǎng)老中的應用，旨在通過這一創(chuàng)新產(chǎn)品為老年人提供更人性化的照護服務。通過應用智能手環(huán)，我們能夠有效地整合居家老人與社區(qū)、醫(yī)療資源之間的關系，為老年人提供預防、提示、互助、社交等全方位的智慧養(yǎng)老服務。未來的研究將致力于進一步加強模型的訓練，提升手環(huán)的智能交互能力，并探索多元化的商業(yè)化模式，以降低用戶使用成本，實現(xiàn)產(chǎn)品的普及化。這項研究不僅為智能可穿戴設備在傳統(tǒng)養(yǎng)老領域的應用提供了有益借鑒，也為解決老齡化社會問題做出了積極探索。

參考文獻：

[1] 黃志華. 基于大數(shù)據(jù)平臺的社區(qū)居家養(yǎng)老信息化服務研究：以南寧市社區(qū)養(yǎng)老為例[J]. 經(jīng)濟研究導刊，2022（15）：40-43.

[2] 葛延風，王列軍，馮文猛，等. 我國健康老齡化的挑戰(zhàn)與策略選擇[J]. 管理世界，2020，36（4）：86-95.

[3] 關磊，李政林. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能養(yǎng)老系統(tǒng)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應用，2020（9）：141-143，147.

[4] 王小榮，劉也，賈巍楊. 社區(qū)智慧居家養(yǎng)老系統(tǒng)構(gòu)建模式研究：天津市既有社區(qū)虛擬平臺建設探討[J]. 建筑學報，2020（S01）：56-59.

[5] 呂相文，田子，呂東岳，等. 基于遙測光電容積脈搏波描記法的心率測量綜述[J]. 科學技術(shù)與工程，2023，23（2）：448-456.

[6] 聶影，邵世云龍. 基于ADXL345傾角傳感器的老人防跌倒檢測與報警系統(tǒng)[J]. 科技風，2020（34）：22-23.

[7] 秦蓉. 基于Java語言的安卓軟件開發(fā)研究[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2021（5）：44-45.

[8] 聶曉宇. 物聯(lián)網(wǎng)助力智慧養(yǎng)老居家服務[J]. 中國自動識別技術(shù)，2021（3）：64-66.

【通聯(lián)編輯：代影】