李欣悦

课题摘要：根据国家统计部门的数据，2018年末中国大陆65周岁及以上人口已占总人口的11.9%，中国正在快速老龄化。此外独居老人和空巢老人增速加快，比重增高，城市老年人空巢家庭已达49.8%。老年人的生活保障，正在由家庭问题转变成为社会问题。本课题正是在此背景下，研究、探讨“互联网+”等计算机科学技术在独居老人和空巢老人居家养老中的应用方案，并且在此基础上设计了一套简单、易用的智能居家養老应用系统。

智能居家养老应用系统功能涵盖健康保障、沟通交流、生活服务、文化娱乐等日常生活的方方面面，尤其注重老年人之间、老年人与社区之间的互动，帮助老年人更好地与外界交流，融入自己感兴趣的社交圈，找到志趣相投的朋友。智能居家养老应用系统设计的功能简单、易用。让老年人不需要额外学习，通过语音指令就能使用几乎所有的功能，面向老年人可操作性强，互动性好。让现代的计算机科学技术切实地方便老年人的生活，保障他们的健康和安全，丰富老年人的精神文化生活。

课题关键词：人口老龄化;互联网+;智能居家养老;社区互连;生活服务

  一、课题研究背景

根据国家统计局《2018年国民经济和社会发展统计公报》[1]的统计数据，2018年末中国大陆总人口139538万人，其中60周岁及以上人口24949万人，占总人口的17.9%，65周岁及以上人口16658万人，占总人口的11.9%。2019年2月23日，全国老龄委员会公布了本世纪《中国人口老龄化发展趋势预测研究报告》[2]。根据报告，在不久的将来，展现在我们面前的将是一个银发渐增的世界，2020年老年人口将达到2.48亿。

独居老人和空巢老人增速加快，比重增高，城市老年人空巢家庭已达49.8%，预计到 2020年，独居老人和空巢老年人将增加到 1.18亿人左右，独居老人和空巢老人将成为老年人中的“主力军”。

随着笔者国城市化进程不断加快，家庭模式越来越趋于小型化，加之城市生活的快节奏和高压力，年轻子女陪伴父母的时间正在变少，使得笔者国传统的家庭养老功能也正在逐渐弱化。

  二、课题研究目标

本课题正是在此背景下，研究“互联网+”等新一代计算机科学技术在独居老人和空巢老人居家养老中的应用方案。

希望通过本课题的研究，能够设计出一套支持家庭温情养老模式的简单、易用方案，即能满足老年人对“家”和“亲情”的心理需求，又能保障老年人的健康、安全、方便他们的对外沟通和日常生活、充实老年人的精神生活。

让老人们“老有所依”、让年青人轻装上阵、努力工作，共建和谐社会、美好家园。

  三、课题研究内容

为了实现课题目标，笔者在两位指导老师的帮助下确定了项目方案，并最终完成一个简单、易用的智能居家养老应用系统的设计。

系统在功能上需要支持居家养老人员的日常生活各方面，主要包括：健康保障、沟通协助、生活服务、日常帮助、文化娱乐等;并且借助于语音识别技术，做到简单、易用，让居家养老的老年人不需要额外学习，就可以轻松使用。

  四、课题的研究方法

  （一）选题的确定

图（1）系统架构图

2019年1月份，笔者跟随父母去医院看望刚做完手术的外婆。外婆有严重的骨质疏松，一个人在家不小心摔倒后，因为没有得到及时救助而大腿骨严重骨折，在医院动了手术植入钢板。医生说，如果当时有人在家，而不是自己强撑着走动找手机打电话，骨折就不会这么严重。

图（5）紧急求助示意图

笔者由此产生了要研究设计一套智能居家养老系统的想法。通过这套系统让像外婆一样的老年人能够在家安安心心地养老。不管是眼神不好，还是不会使用智能手机，都能方便地跟外界联系，有紧急情况时也能及时得到救助，甚至能够找到志趣相投的朋友，加入朋友圈参加自己感兴趣的社会活动，让老年生活不仅安全，也能丰富多彩不孤单。

尽管有了系统的模糊轮廓，但是笔者一时还不知道该如何入手。于是，笔者去学校找到了笔者们高一时的信息技术课朱老师，跟老师交流了笔者的想法。朱老师非常支持，他指导笔者查阅有关人口老年化、居家养老、智能家居以及目前已有的智能养老系统等各方面资料，并让笔者直接向自己的年长亲友、周边年长邻居进行调查，询问他们对于居家养老的需求。当时正值寒假期间，笔者走访了家中长辈，也电话调研了一些年长亲友，整理出了居家养老的大致需求，对比了目前已有的智能养老系统的功能，发现还有很多居家养老的需求有待开发。

图（6）未接电话查询示意图

开学后，笔者带着调研的结果和查阅到的信息跟朱老师进行了交流和讨论，选定了智能居家养老应用这一研究课题，准备设计一个简单、易用的智能居家养老应用系统来完成这一课题。

  （二）系统的分析设计过程

要实现规划中的系统功能，还需要顶层硬件平台的支持。这时笔者在亚太管理学院学习时的老师向笔者推荐了南京林业大学自动化系的黄磊老师，黄老师教授智能控制等课程，正好能指导笔者的顶层实现。于是笔者电话预约了黄老师并去旁听了黄老师的课程，还去参观了他们的实验室。黄老师给笔者推荐了《Arduino从基础到实践》[3]等相关书籍，于是笔者在黄老师的指导下开始了顶层开发平台的理论学习和实际操作。

在黄老师和朱老师的指导和帮助下，结合之前调研、整理的需求，笔者完成了三层体系结构的设计，即社区服务层、居家养老中控层、数据采集层。选定了arduino开发平台来实现底层功能。

系统的功能主要包括：健康保障、沟通协助、生活服务、日常帮助、文化娱乐等。

  （三）系统设计可行性的验证过程

图（2）总体功能示意图

笔者在两位指导老师的帮助下，于2019年3月30日完成了系统功能的初步设计。虽然在系统分析、设计过程中，笔者请教了指导老师，也查阅了arduino硬件开发平台以及各主要功能模块的技术资料，但是设计的系统功能究竟能不能实现、有没有什么技术难点，以及能不能如设想的那样让老年人简便地使用，这些都还没有被验证。

由于笔者时间所限，在短时间里无法完成本系统所有的开发工作，于是经过与指导老师的讨论，决定找出关键的功能点，制定出开发计划，按照重要性的顺序先后进行开发验证。

本系统中社区服务层与居家养老中控层之间的交互很多，能实现的功能也多，但基于互联网的数据传输技术，完成这些功能技术上并不困难所以排在最后，等时间充裕的时候再予考虑。数据采集层需要采集用户的心跳、血压等健康数据并通过WIFI连接向居家养老中控层上传数据，在发生紧急情况时，还需要向中控层发送紧急求助信号，这些是本系统健康保障功能的基础，但通过产品搜索可知道，能完成健康数据采集功能的手环产品比较多，实现上没有问题。所以本系统的关键功能点是：（1）底层硬件上居家养老中控层的主控板需要集成语音识别、GSM、SD、录放音等功能模块，完成通过语音指令拨打电话、朗读接收到的短信、点播音频节目等功能;（2）数据采集层需要验证的是通过WIFI连接向居家养老中控层上传数据，包括采集到的健康数据和一键求救信号。

图（3）未读短信查询示意图

根据计划，笔者又花了10天左右时间用来学习arduino教程，研究arduino示例，接着花了5天时间查阅了能购买到的语音识别、SD、GSM、WIFI等相关模块的技术资料。最终，笔者为家庭主控机选型了arduino Uno主控板、语音识别以及GSM、WIFI等主要功能模块;为智能手环选型了arduino Nano主控板及心跳、步行等传感器，并得到了黄老师的肯定。

图（4）音频点播示意图

从2019年4月15日开始，笔者陆续收到了购买的arduino主控板及语音识别、GSM、WIFI等相关模块，并正式开始了编码以验证系统设计的过程。

笔者对收到的各主要功能模块开发板进行了基本功能的单独测试。例如首先拿到的语音识别模块，笔者先验证了该模块的语音识别能力，请了发音不标准的外婆进行了测试，识别关键词基本没有问题;之后又测试了该模块对于中文文本的朗读能力，确认发音清晰、断句合理、语义完全能够理解，至此本系统中比较关键的功能点语音识别和文本朗读被确认可行。之后，笔者又分别测试了GSM、WIFI、SD等相关模块。

完成了各模块的单独测试之后，笔者就开始集成arduino Uno主控板和各主要功能模块。笔者在集成过程中，采用分步骤进行的工作方法，首先集成arduino Uno主控板和语音识别模块，当语音识别模块识别到关键词后，把返回值发送给arduino主控板，由主控板进行關键词分析处理，并把结果以字符串的形式返回给语音识别模块，由后者为用户进行朗读并接收用户的下一步指令以完成与用户的交互。

在arduino Uno主控板和语音识别模块集成的工作基本完成之后，笔者再加入了GSM模块，之后是WIFI模块，采用这样的工作方式，笔者最终完成了根据用户语音的指令查找未接电话、拨打联系人电话、查找未读短信并朗读、通过语音指令控制家用电器;以及数据采集层与居家养老中控层之间通过WIFI连接进行数据传输等主要功能的开发和验证。

于是上述两点关键问题均得到可行的验证。

  五、课题的研究结果

笔者最终完成了一套智能居家养老应用系统的设计，系统说明如下：

  （一）系统简介

系统的功能主要包括：健康保障、沟通协助、生活服务、日常帮助、文化娱乐等。

健康保障：1.收集居家养老人员步行、心跳、血压等健康数据并生成简单的健康报告，分析健康数据识别出异常情况并及时给予提醒。

2.提供一键求助功能，当居家老人独自在家出现紧急情况时可以及时地得到救助。

沟通协助：1.帮助居家养老人员通过语音控制接打电话以及为他们朗读收到的短信;当无人接听电话时，通过本系统实现语音留言，不错过任何重要信息。

2.帮助老年人更好地与周围邻居联系，实现社区互连。借助于社区服务层存储的本社区老年人的联系信息，让居家养老人员不必记忆所有邻居的联系方式，当有联系需求时，可以通过姓名等信息在本社区内找人，并可以给邻居留言，让老年人的交友更方便。

生活服务：通过社区呼叫中心的电话接口，可以为居家养老人员提供一些日常生活的线下服务，例如生活用品配送、上门保洁等家政服务。

日常帮助：1.帮助老年人建立重要提醒事项，不错过任何重要的日程。

2.通过语音指令控制各类家电，享受方便的智能家居生活。

文化娱乐：1.开通点播频道：由社区系统维护的工作人员收集、上传老年人喜欢的戏曲、相声、乐曲、健康养生等音频节目，居家养老的老年人可以根据自己的喜好点播后下载到本地收听。

2.开通交友频道：由社区的工作人员按照老年人的兴趣爱好建立一些朋友圈，定期发布圈内信息，还可以组织圈内的线下活动并及时发布活动信息，圈内信息即时推送给加入圈子的圈友;老年人通过语音选择自己喜欢的圈子并加入后，就能及时地接收到圈内信息，并可以根据自己的时间和健康状况选择参加线下活动。

  （二）系统优势

虽然在课题开始调研时，通过网络查找到目前已有一些智能居家养老方面的实施方案，但这些方案或侧重于子女的APP客户端，必须由子女通过APP关联老人，为老人订购商品与服务，而老人自己只能通过佩带的智能设备进行简单的通话、定位以及一些健康数据的采集;或偏重于服务端，提供居家养老人员的档案建立、查询统计、远程视频交互及一些养生知识、天气预报等资讯的推送。

而对于大多数上了年纪真正需要帮助的居家老人们，因为不会使用智能设备终端，学习应用新技术新设备困难，且部分老年人由于视力原因，很多操作受到限制，所以目前能查询到的居家养老实施方案老人们能实现的自主操作不多，不能对他们的沟通交流、日常生活、文化娱乐等方面提供充分的帮助。

本系统正是基于目前这种情况，以智能语音识别以及互联网技术为基础进行应用研究，功能涵盖健康保障、沟通交流、生活服务、文化娱乐等日常生活的方方面面，尤其注重老年人之间、老年人与社区之间的互动，帮助老年人建立自己的圈子，找到志趣相投的朋友，丰富老年人的精神生活。

系统设计的功能简单、易用。让老年人不需要额外学习，通过语音指令就能使用几乎所有的功能，面向老年人可操作性强、互动性好。让现代的计算机科学技术，切实地方便老年人的生活，保障他们的健康和安全，丰富老年人的精神文化生活。

  （三）系统架构及主要功能

系统采用如图所示的三层架构：

本课题采用的三层架构分别为：健康数据采集层、居家养老中控层、社区服务层。其中：

  1.健康数据采集层

硬件上是采用arduino Nano主控板集成WIFI以及步行、心跳、血压等传感器搭建的智能手环;

实现居家人员的心跳、步行数据、血压等健康数据的采集以及上传，并提供一键求救功能，在紧急情况下通过WIFI向居家养老主控机发送求救信号，由主控机同时向社区以及指定的紧急联系人发送求救信息。

  2.居家养老中控层

硬件上是采用arduino Uno主控板集成语音识别、GSM以及WIFI等模块搭建的智能居家养老主控机。

系统主要实现如下所述的四方面功能：

  （1）健康小帮手

收集居家养老人员的健康数据并生成简单健康报告;异常健康数据的识别与报警;紧急情况求助等。

  （2）生活小助理

通过接入社区的生活服务中心，为居家养老人员提供日常生活用品采购、居家保洁等线下服务;通过语音指令建立重要事项记录以便及时提醒，不错过重要的日程;通过语音指令控制家电，享受智能家居的便利生活;接收社区下发的各类通知、通告等。

  （3）沟通小助手

帮助居家养老人员通过语音指令接打电话以及为他们朗读收到的短信，当无人接听电话时，通过本系统实现语音留言，不错过任何重要信息。

社区内找人：根据姓名等信息在本社区内查找邻居、留言，方便邻里沟通。

  （4）快乐小能手

音频节日点播：根据居家养老人員的语音指令，播放从社区服务器下载的音频节目。

交友频道：通过语音指令查找、加入或退出圈子;收听圈内信息;报名圈内活动。

  3.社区服务层

硬件上在社区层搭建智能居家养老应用服务器以及数据库服务器。

数据库服务器存储的信息主要分两大类，包括：本社区居家养老人员的个人信息，如联系方式、健康情况、个人兴趣爱好及加入的圈子等信息;本系统的应用数据，如建立的圈子及圈内信息、可供点播的相声、戏曲一类的音频文件等。

应用服务器提供的主要功能包括：

  （1）系统维护管理

居家养老人员的个人信息的维护：包括个人信息的整理、上传等。

系统的应用数据维护：包括建立圈子，发布圈内信息;收集、更新相声、戏曲等音频节目。

  （2）社区呼叫中心

社区通知、通告的下发;紧急求救应急处理;帮助居家养老人员查找邻居等功能。

  （3）社区警务中心

警务警情通告、提醒的下发;报警应急处理等功能。

  （4）社区医务中心

体检通知、体检报告下发;异常健康报告的初步分析;应急救援处理等功能。

  （5）社区生活服务中心

组织圈子的线下活动，发布活动信息;日常生活用品的订购/配送;居家保洁等线下服务。

  （四）总体功能说明

  1.总体功能示意图

  2.总体功能说明

服务上以社区为中心建立居家养老应用系统，注重老年人之间、老年人与社区之间的互动，帮助老年人建立自己的圈子，找到志趣相投的朋友。

功能上以居家养老主控机为中心，通过与智能手环、社区养老服务中心的数据交互，完成系统的主要功能，包括：健康保障、沟通协助、生活服务、日常帮助、文化娱乐等。

  （五）关键功能示意

  1.未读短信查询

功能说明：根据用户的语音指令，查询未读短信并语音朗读;根据用户的要求回电或记录重要事项以做备忘或提醒。

  2.音频点播

功能说明：居家养老用户通过语音指令点播喜欢的音频节目。

  3.紧急求助

功能说明：老年人在紧急情况下，通过长按手环上的一键求助按键，发送紧急求助信号，居家养老主控机收到求救信号后向紧急联系人发送求救短信;同时也向社区呼叫中心发送紧急求救信息，社区呼叫中心收到紧急求救信息后启动应急处理，通知附近的社区工作人員或社区志愿者上门确认和施救。

  4.未接电话查询

功能说明：根据用户的语音指令，查询未接电话;根据用户的要求回电或记录重要事项以做备忘或提醒。

  六、课题的分析和讨论

系统验证过程中也发现了一些问题有待进一步改进：

（一）语音识别模块对单音字识别率较低，语音拨打电话时，仅能支持呼叫电话薄内已存储的联系人姓名，后继需要寻找更好识别率的语音识别模块或者加增数字键盘才能支持拨打任意电话号码。

（二）GSM模块不能直接发送中文短信，必须先转码，目前先支持英文短信收发，后续需要编码解决这个问题。

（三）arduino Uno主控板的程序存储空间较小，未来要实现系统设计的所有功能时，需要选择更高端的主控板。

  七、课题的研究结论

经过研究和验证，笔者认为这套基于“互联网+”等计算机科学技术的智能居家养老应用系统的解决方案是可行的，能够实现本课题选题时预期的目标。

系统的建设和运行，能够切实地方便老年人的日常生活，保障老年人的健康、安全、方便他们的对外沟通;通过这套以社区为应用中心的居家养老应用系统，能够帮助老年人更好地建立外部联系，尤其是本社区的老年人之间、老年人与社区之间的良好互动，让老年人融入自己的生活圈，找到志趣相投的朋友，丰富老年人的精神生活。

致谢：感谢南京金陵中学河西分校信息技术课朱学兴老师和南京林业大学自动化系黄磊老师在本课题研究过程中给予的热情帮助和指导。

  课题参考文献：

[1]国家统计局.2018年国民经济和社会发展统计公报.

[2]全国老龄委员会.中国人口老龄化发展趋势预测研究报告.2019-2-23.

[3]米歇尔·麦克罗伯茨.Arduino从基础到实践.电子工业出版社，2013（3）.

（作者：南京市金陵中学河西分校高三（8）班）