一个助力居家养老智能手环的设计研究

李天瑜 吴奕咖 吴馨怡 王佳妮 马萧丽 陈昌腾

摘要：该项目是在社區养老的基础上，为居家老人设计的一款具备健康检测、一键求助社区功能的智能轻便手环。该产品以方言识别为特色，旨在解决老人语言沟通问题，助力老人实现居家养老。

关键词：居家养老；智能手环；方言

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）11-0084-03

1 研究背景及意义

近年来，随着互联网和信息技术的快速发展，由于老人跨地域流动日益频繁，养老服务信息经常会在不同城市、不同社区之间进行转移，这加大了社区居家养老服务工作的难度[1]。因此，让科技赋能，积极探索“互联网+养老”，用数字科技驱动养老行业创新发展，提升传统养老服务，已成为必然选择。

“智慧养老”目前已成为改革传统养老产业、推动养老服务智能化发展的关键动力。它是指在原先的社区养老基础上，加入物联化（利用可穿戴设备技术对健康进行远程监测、疾病预防和管理，提高医疗保健效率）、互联化、智能化的养老服务，主要面向以居家型为养老模式的老年人[2]。

2020年，关磊等人[3]提出以便携式智能可穿戴设备为媒介，依托GSM通信技术，建立物联网智能养老系统。该系统可以在子女客户终端和社区服务平台终端显示老人的生活状态并及时做出反应。同年，王小荣等人[4]提出构建智慧居家养老服务系统，实现智能手机APP应用、家庭自动化家电和身体健康监测设备与社区端、子女端进行信息交互，使子女能够了解父母的健康状况。因此，可穿戴式智能养老手环作为物联化智慧养老模式的载体，其出现可以极大地满足老年人及其子女的需求。

智慧养老系统通过芯片植入智能可穿戴设备和5G技术，实现远程监控老年人健康、生活及突发情况，提供无时空限制的居家养老服务，从而减轻子女的养老负担。系统工作原理主要分为三个步骤：数据采集、客户端上传、后台分析判断，共同构成信息化、智能化的智慧养老系统。该系统利用信息化拓宽养老服务渠道，整合居家老人、社区和养老资源，推动养老服务智能化转型。目前市场上的智能手环主要面向中青年，而针对老年人的手环存在操作复杂、功能不完善等问题。因此，本文在传统可穿戴养老设备的基础上引入方言识别技术，旨在解决老年人语言交流障碍，并增加社交功能，让居家老人能够享受社区交友和分享生活的零距离体验。

2 产品设计

本产品是一款集通讯、社交、医疗功能于一体的智能手环。它巧妙利用可穿戴设备技术，对老人的健康状况进行远程监测，有效预防和管理疾病，从而提高医疗保健效率。

2.1 心率监测

心率、呼吸率、血氧饱和度是反映人体生理状况的重要信号。目前，高精度心率测量的方法包括心电图、脉搏血氧仪、光体积描记术等[5]。本款专为老年人设计的智能手环在健康监测方面继承了众多智能穿戴设备的基础功能。在心率监测方面，本产品采用了光电容积脉搏波描记法（PPG） ，通过光电手段检测人体组织中的血液容积变化。当特定波长的光束照射到皮肤表面时，未被皮肤组织吸收的散射光会返回并被光电传感器接收，进而转换成电信号。经过AD转换后，这些电信号最终反映为心率和血氧饱和度的数字信号，由芯片处理并传输。本系统全天候监测用户心率，一旦检测到异常，会立即向手环关联的手机用户发出警报，并通过铃声提醒使用者寻找安全舒适的地方休息。同时，手环主界面会显示红色异常提醒，向路人传达需要帮助的信息。

2.2 睡眠监测

本产品利用光电容积脉搏波描记法测量脉搏率，进而计算心率与心电图相关参数（如心率变异性HRV） 。通过应用心肺耦合算法，可以计算出呼吸频率。这种方法通过过滤非呼吸诱导的心率变化引起的功率谱，提高了诊断的实用性，从而实现对用户睡眠数据的深入分析。本设备旨在通过睡眠监测为用户提供有益的睡眠信息和建议，帮助改善睡眠质量。同时，能有效屏蔽老年人休息时的消息和电话提醒，为他们营造一个良好的睡眠环境。

2.3 跌倒检测预警

本产品在老年人智能手环设计中特别加入了跌倒预警模块，以应对老年人可能发生的突发性跌倒。该模块通过ADXL345倾角传感器实时采集老人在日常活动中产生的倾角数据。传感器能够采集X、Y、Z 三个方向的加速度数据，并将这些数据传送至单片机STC89C52进行处理，从而判断老年人的运动状态[6]。一旦系统检测到跌倒状态，会立即发出报警声音，提醒老人及周围人群。同时，系统还会发送报警短信至相关人员的手机，以最大限度地减轻老人可能遭受的伤害，并及时提醒他们寻求医疗援助。

3 产品特色和创新点

本文对智能养老手环提出以下创新点：（1） 在传统手环的常规功能基础上增加了自动报医模块和社区服务功能。老人可通过手环一键求助社区，用以解决一些日常生活需求或寻求生命安全救助。（2） 方言识别技术。从20世纪50年代开始，人们便对方言识别技术展开研究。最早的语音识别系统基于模拟电路实现，且仅能处理有限的词汇。经过多年研究，至2020年，最新的发展包括使用Transformer模型进行语音识别、自监督学习减少标注数据需求、联合学习语音识别和语义理解等。与其他技术领域的交叉应用，如自然语言处理和知识图谱结合，推动了语音识别技术的创新，方言识别技术也更为成熟。本产品采用基于递归神经网络（RNN） 的在线方言识别算法和基于声学模型的快速方言识别方法，使实时场景下的方言识别更高效稳定，为老人提供更好的服务。以浙江方言为例，声学模型训练流程如图1所示。

3.1 自动报医

主要实现对老年人阶段性的生命体征数据的分析，具有辅助诊疗和及时报医的作用。养老手环作为老年人身体数据的采集端，确保在老年人居家睡眠及户外活动期间，能够实现24小时不间断的生命体征数据（包括呼吸频率、血压、心率、血氧饱和度等）采集并上传至生命体征监测服务器[7]。通过5G通信技术，实现与签约医疗中心服务器之间的持续通信、传输和存储。日常累积的生命体征健康监测数据将以量化的形式展现。当身体某项指标急剧飙升或骤降偏离标准值时，智能手环将自动开启120呼叫模式，并自动向急救中心提供使用者在智能手环中绑定的家庭、用户信息，同时自动定位当前地点，并通过手环的通话功能向接听者播报，从而为使用者的安全保驾护航。同时，为防止手环对信息的误判，使用者能在十秒内通过长按手环屏幕来取消自动报医功能，减少对医疗资源的浪费。

3.2 方言一键求助

传统智能手环的语音识别技术主要服务于普通话用户，解决一些基本问题，但在对老年人的人文关怀方面尚存不足。本产品的创新之处在于融入了方言识别技术，使其更贴近老年用户的实际需求，并根据这一创新功能满足老年人多样化的使用场景。

3.2.1 上门维修服务

在当今社会，独居老人在物品维修方面普遍面临以下三种情况：一是随着科技不断进步，家电更新换代速度加快，许多老年人对于电子产品的维修感到困难；二是由于老年人身体机能下降，对于高处的灯泡、低处的水管等难以进行维修；三是独居老人信息获取渠道有限，难以自行找到维修工人上门服务。针对这些问题，本产品在一键求助功能中加入了上门维修服务。老人在遇到需要维修的情况时，只需按下一键求助按钮，用普通话或方言说明需求，系统识别并处理后，将信息传输至社区端。社区核实信息后，会安排合适的维修人员上门服务。若用户满意，维修任务即告完成；若有其他问题，可进一步协商解决。此外，若手环本身出现故障，用户可通过特定按钮触发维修需求，云服务平台接收并处理相关信息，确保维修服务的高效协调。

3.2.2 求救求助服务

本手环基于云计算、物联网技术、移动互联网技术、太阳能技术、5G和GPS服务，构建了一个集一键报警、广播、视频报警、语音报警、联网报警、远程喊话、报警定位和网络报警于一体的紧急求救和语音广播联网报警平台。该平台具有报警及时、方便、隐蔽的特点，并能自动弹出报警定位和现场视频，极大弥补了现有报警系统的不足，满足了人员实时报警的需求。

本手环的求救服务主要包括两个方面：一是通过健康检测功能，当系统检测到老人某项或某些指标异常时，会及时通知社区，社区将根据情况派出工作人员前往查看或送医；二是当老人遇到突发情况但系统无法检测时，可长按一键求助按钮，通过语音向社区传达求助信息。若20秒内无声音，系统将自动开启紧急通报模式，弹出报警定位和现场视频，并向预设的紧急联系人或监护人发送求助信息，同时通知社区派人前往老人所在地。此外，手环还设有日常求助功能键，方便老人在日常生活中遇到其他问题时向社区或联系人求助。手环内部的传感器和通信模块能够实时检测用户操作、获取位置信息，并通过无线通信方式将信息传输给接收端，確保求助信息的及时传递和处理。

4 市场前景预测

4.1 老龄化程度加深

根据国家统计局公布的数据，截至2022年底，我国60周岁及以上老年人口总数已达到28 004万人，占总人口的19.8%。其中，65岁及以上的老年人口更是占总人口的14.9%。与前一年相比，60岁及以上的老年人口增加了1 268万人，老龄化程度进一步加剧。由于人口的出生率持续走低，独生子女数量不断增加，空巢老人和失能老人的比例也呈现出不断上升的趋势。目前，空巢老人的数量已高达1亿，失能老人数量也超过了4 000万。这使得许多老年人面临着老无所养、老无所依的困境，我国的养老问题日益凸显。因此，可以认为本产品的市场潜在消费人群非常庞大[8]。

在当前社会经济快速发展的背景下，年轻人为了工作而忙碌奔波，往往忽视了对父母的照顾，甚至在父母遇到问题时也不能及时赶回。独居在家的年迈父母由于缺乏有效的护理和监护，往往无法及时察觉异常情况，这常常造成无法挽回的遗憾。因此，本产品的推出不仅有效缓和了老龄化现阶段的困境，也大大减轻了年轻人的压力。

4.2 智能养老市场存在缺口

当前，中国正处于老龄化的加速期，这给整个养老体系带来了前所未有的挑战。传统的养老机构和家庭养老模式在应对这一挑战时，面临着诸多问题和困难。因此，开发以社区为基础的新型智慧养老模式显得尤为迫切和重要。社区养老模式以家庭为核心、社区为基础，为老年人提供日间照料、生活护理、家政服务和精神慰藉等服务。然而，作为新养老模式的“社区养老”目前仍处于初期开拓发展阶段，存在设施不完善、养老设施质量参差不齐、人员素质不一等问题，这使得部分受众对此持谨慎态度。

本产品通过提出智慧养老的概念，在传统社区养老的基础上，利用物联网、互联网和智能技术，提供更智能化的养老服务，旨在应对我国老龄化所带来的社会困境，如空巢家庭增多、社区养老设施不足等问题，从而有效弥补市场缺口。

5 结束语

本文详细介绍了智能手环在智慧养老中的应用，旨在通过这一创新产品为老年人提供更人性化的照护服务。通过应用智能手环，我们能够有效地整合居家老人与社区、医疗资源之间的关系，为老年人提供预防、提示、互助、社交等全方位的智慧养老服务。未来的研究将致力于进一步加强模型的训练，提升手环的智能交互能力，并探索多元化的商业化模式，以降低用户使用成本，实现产品的普及化。这项研究不仅为智能可穿戴设备在传统养老领域的应用提供了有益借鉴，也为解决老龄化社会问题做出了积极探索。

参考文献：

[1] 黄志华. 基于大数据平台的社区居家养老信息化服务研究：以南宁市社区养老为例[J]. 经济研究导刊，2022（15）：40-43.

[2] 葛延风，王列军，冯文猛，等. 我国健康老龄化的挑战与策略选择[J]. 管理世界，2020，36（4）：86-95.

[3] 关磊，李政林. 基于物联网的智能养老系统[J]. 数字技术与应用，2020（9）：141-143，147.

[4] 王小荣，刘也，贾巍杨. 社区智慧居家养老系统构建模式研究：天津市既有社区虚拟平台建设探讨[J]. 建筑学报，2020（S01）：56-59.

[5] 吕相文，田子，吕东岳，等. 基于遥测光电容积脉搏波描记法的心率测量综述[J]. 科学技术与工程，2023，23（2）：448-456.

[6] 聂影，邵世云龙. 基于ADXL345倾角传感器的老人防跌倒检测与报警系统[J]. 科技风，2020（34）：22-23.

[7] 秦蓉. 基于Java语言的安卓软件开发研究[J]. 电子技术与软件工程，2021（5）：44-45.

[8] 聂晓宇. 物联网助力智慧养老居家服务[J]. 中国自动识别技术，2021（3）：64-66.

【通联编辑：代影】