传感器技术在智慧康养中的应用探析

黄梦茹，陈志华，薛玉利

（山东青年政治学院，山东济南 250103)

0 引言

2021 年，第七次全国人口普查结果显示，60 岁及以上老年人口占总人口的18.7%，65岁及以上老年人口占总人口的13.5%。这两个数据分别已超联合国对老龄化社会定义的传统标准10%和新标准7%，标志着我国已处于人口老龄化阶段，且程度比较严重。于是，健康和养老成为关系着国计民生的社会热点问题，引起广泛关注，也迎来了巨大的发展契机。2016年国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》中明确提出，到2030 年健康服务业总规模要达到16 万亿。政策的利好必定会带动资本、技术、市场向康养产业集聚。随着社会和经济的发展，计算机技术、互联网技术、单片机技术都得到迅猛发展，人们对康养的需求也不再局限于病后医疗和温饱的满足，而是向智能化、多功能化扩展，希望实现健康监测、疾病预防、智慧家居、智能可穿戴、智慧照护等功能。在万物互联的时代，智慧康养成为实现这一战略目标的必经之路，而具有强大感知能力的传感器，类似于人体的神经末梢，是系统实现过程中最为关键、不可或缺的要素，在智慧康养系统的实践中具有重要的作用。

1 传感器技术的应用现状

传感器是一类物理检测器件，它能够将力、热、光、磁、离子等非电信号按照一定规则转换成能够被现代电子通信系统识别的电信号，该电信号经过传输和处理后可被人们感知，从而帮助人们获得对原始信号的监测和认识，是实现智能监测和控制不可或缺的前驱部件。传感器的种类繁多，分类方式也有很多，按照测量对象的不同可分为压力传感器、温湿度传感器、加速度传感器、气体传感器等。不论哪种传感器，在结构上都是由敏感元件、转换元件、变换电路和辅助电源四个部分组成。其中，敏感元件负责原始信号的探测，转换元件负责将探测到的原始信号转换成电信号，变换电路负责将转换出来的电信号进行放大、处理，辅助电源则是为整个器件提供能量。目前，传感器技术已广泛应用于各行各业，成为人们生产生活中不可或缺的一部分。

传感器已广泛应用于智慧农业建设，帮助搭建智能温室大棚、实现农药检测等功能。朱斌应用温湿度传感器、光照传感器和CO2传感器作为感知模块搭建了智能温室大棚，并结合无线传感和云平台实现了对大棚内温湿度、光照和CO2浓度的远程监控[1]；冼进等人应用各类智能传感器并结合主控芯片实现了对大棚内温湿度、光照、CO2浓度和土壤温湿度的实时监测、定时定点浇水灌溉、施肥，以及开关遮光棚和水泵等操作[2]。传感器可用于各类环境监测场合，实现室外空气质量监测、机房环境监测、配电室环境监测、煤矿环境监测、化工园区环境监测、居家环境监测等。应用的传感器类别不同实现的监测功能和效果也不同[3-4]。智能传感器可用于生物医疗领域，如，光纤布拉格光栅力觉传感器可用于医疗过程中的力触觉反馈、健康体征监测[5]；电化学传感器可用于糖尿病标志物监测；生物传感器可用于动物疫病监测等。传感器还可应用于自动控制、智能交通、智慧家居等各行各业中，帮助实现智能监测和控制[6-7]。

目前，传感器技术已初步应用于智慧康养行业。徐祥伍等人提出了基于失智症老年人的智能家居适老化设计策略，该策略融入智能感知技术，可有效提升失智症患者居家养老的质量[8]；聂影等人应用ADXL345 倾角传感器实现老年人防跌倒检测与报警系统，为其行动提供了安全预警保障[9]；许燕婷等人应用多种传感器实现了对老年人血压、心率、加速度、行走状态等生理状态参数的实时采集测量[10]；刘钰应用多种传感器开发了空巢老人智能监护系统，可实现对老年人睡眠质量、环境安全、心率、跌倒与定位等的监测[11]；张媛等人应用光纤传感器实现对独居老年人生活范围中的图像、声音、气体数据等的实时监测[12]；孔鲁超等人采用光敏、温度和火焰传感器，实时监测老年人出行和厨房用火状况，为空巢老年人提供全方位的居家安全保障[13]。此外，传感器也被逐渐应用于智能可穿戴设备中，起到运动状态监测、身体健康监测和疾病防治的作用[14-15]。

2 智慧康养行业的需求与解决方案

健康和养老是一个长期存在的话题，包含老年人的养老、医疗、养生等各方面，在此基础上发展起来的智慧康养却是一个新兴的领域，其宗旨是面向老年人提供智能化的健康、养老产品或服务。因此，适老产品和服务的设计必须深入分析老年群体的特征。老年人由于个体新陈代谢速度变慢、身体机能下降，造成各类生理、心理问题频发，如行动迟缓、脑梗、骨质疏松、健忘症等，需要子女和家人付出大量时间成本去照护。为满足老年群体在衣食住行各方面对健康、安全等的关切，各种康养模式陆续被提出，如生态养生、医学结合养生、居家养老、机构养老、社区养老等。尽管各类康养模式仍在不断地探索和发展中，但是可以肯定的是，任何一种模式的开展都离不开现代智能产品和服务的支持。因此，针对老年人群的特征和需求，智慧康养可在以下两个方面开展：立足于老年人家居环境改善的智能家居和实现老年人健康监测的产品和服务。

2.1 智能家居

任何一种养老模式都必须充分满足老年人对“住”的功能需求，从居住的舒适度、家居的安全性等各个方面，为老年人打造多功能化的、全屋化的、操作便捷的智能家居系统。该系统需要借助各类功能传感器实现相关智能化操作。智能家居系统的功能实现与传感器网络架构，如图1所示。

图1 智能家居系统的功能实现与传感器网络架构

在门窗模块中，通过温度传感器、光照度传感器、风力传感器、雨滴传感器、PM2.5传感器来感知室外光照、风力、降雨、空气质量等信息，当监测值超出阈值范围后，主控模块会控制电机进行自动开关窗操作，以保障室内良好的空气流通；通过人体红外传感器进行非法闯入监测和报警，以保障居家安全；通过内置有红外传感器的人脸识别模块或内置有光学指纹传感器的指纹模块，实现智能开锁，以有效解决老年人忘带钥匙的困扰。在室内环境模块中，通过温湿度传感器、VOC气体传感器感知室内温湿度和有机污染物的浓度信息，当监测值超出阈值范围时，主控模块会控制电机和继电器进行通风、开关空调、空气净化等操作。在厨卫模块中，通过燃气传感器、火焰红外传感器、水浸传感器、CO气体传感器等对厨房的燃气泄漏情况、厨房和卫生间的返水、漏水情况进行实时监测，以保障家居安全。在全屋灯光模块中，通过光照度传感器监测室内的光照度，并根据老年人的个体定制进行自动开、关、调光等操作。在智能家电模块中，将以差压传感器、红外热释电传感器等多种传感器为感知网络的各类智能家电通过无线网络接入主控端，方便老年人对家电进行便捷控制。可见，智慧家居中传感器技术的应用，可以从生活中的各个细节为老年人打造一个安全、舒适的居家环境。

2.2 智能健康监测

实时监测老年人的生命体征数据是构建智慧康养系统的一个重要前提，相关的智能健康监测产品和服务有很多，如智能手环、血氧仪等。智能健康监测功能实现与传感器网络架构，如图2所示。按照监测应用场所的不同，智能健康监测产品和服务大体可以分为两类：应用于家庭内的日常健康监测产品和可外出佩戴的智能可穿戴产品。

图2 智能健康监测的功能实现与传感器网络架构

2.2.1 日常健康监测

为老年人提供日常健康监测的产品和服务有很多，如血氧仪、血压计、心率计等。其中，血氧仪中内置血氧（光电）传感器，通过测量两种不同波长透射光强度的变化，监测人体的血氧饱和度；血压计中内置电阻/电容型气体压力传感器，可监测人体血压信息；心率计中内置心率（光电）传感器，通过监测人体心跳时微弱的皮肤颜色改变引起的反射光强变化，来检测心跳频率……这些产品都是独立的、功能较为单一的健康监测设备，不能为老人提供全面的日常健康监测服务。于是，在此基础上，结合单片机和多种传感器技术，将各种设备的单一监测功能进行集成，形成智能健康监测设备，以达到对老年体温、血压、心率、体重、血糖、血氧等信息的同时监测。当监测指标超过人体正常阈值范围时，设备内置的主控模块会提醒老年人及时关注自身健康问题、防止意外发生。可见，传感器技术已深入老年人日常健康监测的各类终端设备中。

2.2.2 智能可穿戴产品

日常健康监测设备在帮助老年人进行自我健康监测方面发挥了重要的作用，被广泛应用于千家万户中，但由于设备本身的体积问题，此类设备不方便携带，当老年人外出时就无法进行实时的跟踪和监测，而智能可穿戴设备的出现可以很好地解决这一问题。智能可穿戴设备对日常穿戴进行智能化开发，形成可穿戴的智能眼镜、智能手表等，使对人体健康的实时监测成为可能。

针对老年人群体的智能可穿戴设备主要涉及运动监测/游戏和医疗保健两类，其中以医疗保健产品居多。前者受众相对较窄，面向老年户外、健身爱好者和游戏爱好者开发，产品或服务多以智能手表、智能手环、智能头盔、智能耳机为主要形式。其中，面向运动监测的智能可穿戴设备一般内置心率传感器、步频传感器等，可实时地测量老年人的心率、运动步频等。此外，根据运动形式的不同，市场上也存在各类特殊运动监测器件。如针对潜水运动开发的可穿戴设备，器件内部集成气压传感器、水听传感器、潜水振动传感器、加速度传感器等，可实时监测气压、潜水深度、液气泄漏情况等，可为潜水运动提供专业的数据参考和指导。后者受众面广，具有普适性，产品和服务囊括智能手表、智能手环、智能背心、智能腰带、智能可植入芯片等，可按照佩戴的身体部位，分为头戴式、腕带式、身穿式、携带式，以及植入芯片式。这些产品内置各类传感器，可实时测量老年人的心率、血氧浓度、血压等各项生命体征指数，监测老年人的行走状态（站、坐、走、跌倒），对老年群体的健康、疾病防治、人身安全等起到很好的监测和预警作用。综上，智能可穿戴设备由于能够实时监测老年人的生命体征数据，在智慧养老系统的构建中必将发挥重要的作用。

3 小结与展望

借助新一代信息技术和传感器对物理、化学、生物信息优越的感知和转换能力，构建智慧康养体系，从而让庞大的老年群体老有所养、老有所依，并获得个体身心健康和满足，成为实现和谐社会、智慧社会必须解决的关键问题。康养是针对老年群体的健康、养生和养老，因而对传感器的体积、精度等都有很高的要求。为满足庞大的康养市场需求，传感器必将向集成化、微型化、智能化方向发展，同时兼顾低功耗、低成本和亲肤性，以适用于智能家居设备、智能可穿戴设备。此外，人们可以结合传感器技术、物联网技术和云计算技术，打造智慧康养平台，通过密集的传感器网络采集各类数据，通过物联网技术进行信息传输和上传，通过云平台对数据进行最终的整理、分析和决策，实现覆盖全网的智慧康养产品和服务，以破除地域经济和网络建设发展不平衡的影响，为我国应对人口结构老龄化提供参考。