浅谈基于物联网技术上的智慧养老建筑设计

邓韦 刘翔威

【摘要】面对来势汹涌的“白发族”浪潮和人们对未来养老的担忧，本文力主采用当前最先进的物联网技术和适老性的养老建筑相结合，为21世纪的老年人提供一个具有智能化、高度集成化的家居设备和设施互联平台的“家”，让每一个老人都能美好温暖地度过人生岁月的最后时光。

【关键词】适老性;互联网;集大成;通信协议;传感器

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.01.043

1、引言

物联网（IoT）用途广泛，遍及智能建筑（Intelligent building）、智能家居（Smarthome）、智能交通、智能电网、环境保护、公共安全、工业监控等多个领域，具有广阔的应用前景。就行业应用来看，在智能建筑领域推广物联网技术其技术条件与市场条件最为成熟，物联网技术与智能建筑技术相结合，将可以产生巨大的经济和社会效益。伴随着老龄化社会的到来，养老在我国乃至全球己成为一个最大的社会问题，而赖以养老的建筑已经越来越不适应现代社会的特点和人们对生活品质的追求。这就要求我们的从业者能充分利用现代科技成果，特别是应用物联网技术为老年人居家养老、社区养老开辟一个崭新的空间，给老年人一个安心舒适的家。现代老年建筑不仅要考虑建筑功能的人性化，还要充分考虑老年人的生理、心理特点，从细节入手做到适老性（Aged） 要求。

2、养老建筑迫切升级换代的时代背景

2.1 人口老龄化程度加深

根据 2021 年 5 月 11 日第七次人口普查结果公布：截止2020年 11月 1日零时，60岁及以上人口为 26402万人， 占18.70%（其中，65岁及以上人口为19064万人，占13.50%），与2010年相比，60岁及以上人口的比重分别上升5.44个百分点。全国老年人口抚养比为19.70%，比2010年提高7.80个百分点。国际观点认为，当一个国家或地区65岁及以上人口占总人口的7%时，就已被认定为老龄化社会（Agingsociety）。当这个比例超过14%时，为老龄社会。这表明中国已经从老龄化社会发展到老龄社会，其形式非常迫切，这还是在近年我国人口生育政策不断积极调整的结果。

2.2 养老问题突出

我国刚刚在2020年全面完成脱贫攻坚任务，人均 GDP刚过 1万美元，按照国家中长期发展目标，2050年达到发达国家水平还有很长的路要走。由于中国长期实施计划生育政策，现在中国已经进入“未富先老”的社会阶段，如何赡养家中的老人是现在很多家庭的一个大问题。夫妻二人抚养一个孩子、赡养四个老人的家庭和“空巢老人（Emptynester）”的大量出现，对国家和社会都是一个严峻挑战，致使养老问题成为社会的突出问题也就不足为奇了。

2.3 养老建筑和设施短缺、落后

根据《2020年度国家老龄事业发展公报》统计，截至2020年年底，全国共有各类养老机构和设施32.9万个，养老床位合计821.0万张，每千名老年人拥有养老床位31.1张。养老床位的一床难求的矛盾还是相当的突出，虽然民政部和国家发改委推出了“家庭养老床位和实施特殊困难老年人家庭适老化改造”，也就是我们常说的“居家养老”。而大量城市老人居住的小区往往建筑结构和设施陈旧，根本不适合养老，包括广大农村老人居住地的适老性改造任务繁重而又紧迫。

3、目前我国建筑在适老性方面存在的问题

3.1 需改造提升的养老建筑数量宏大

我国在2014年5月1日颁布实施的《养老设施建筑设计规范》（GB50867-2013）除了国家强制执行的二条标准（第 3.0.7 条、第 5.2.1 条）在一些新建小区执行得比较好以外，其他老旧小区大多还在等待改造中，这还不包括广大农村地区的居家建筑，更是没有一个准确的统计数据可以参考。更遑论规范中其他条款的执行情况，由此也可以看出我们养老建筑的提升空间有多大，养老建筑设施的改造也必将是个朝阳产业。

3.2 养老建筑的智能化还处于起步阶段

我们国家刚刚在2020年实现了全面建成小康社会的目标，但是还有少数的家庭甚至刚刚摆脱贫困，国民的生活水准还是处于不高的阶段。过去几十年房地产高速发展形成的泡沫化，造就房价高企，对养老建筑的适老性的理解在建筑行业也还处于认知阶段，还谈不上重视。这也决定了我们智能化（Intelligent）、网络化 （Networking）的现代技术在其他领域能够大行其道，做得风生水起，而在建筑领域尤其是在养老建筑这方面却鲜有尝试者，这种现象不符合我们对家温暖舒适便利性的人生追求，更不符合我们中华民族“孝老爱亲”的良好传统。

4、物联网技术和养老建筑新设计理念的结合

4.1 物联网的起源与现在

物联网的鼻祖是互联网，互联网是20世纪继电报、电话、无线电、电脑之后的又一个伟大发明，全世界的电脑能够通过互联网联系起来，进行通讯或分享讯息资源。互联网的飞速发展到今天已经彻底改变着我们的世界，也改变着我们的生活。细看互联网的发展你就会发现，之前我们使用互联网检索信息，这时的互联网连接的是“人与信息”，可以广义地称之为“人与物”。

21世纪初，随着3G移动通信网络的建设和以iphone为代表的智能手机的发布，人们可以通过智能手机这一移动 终端更方便地上网，获取信息服务。尤其是随着APP应用市场的开放，所有开发者都可以共享智能手机的计算和网络通信资源，以APP应用的形式向每个用户呈现各种信息和服务，大大降低了人们获取知识的门槛。信息化提高了信息获取和应用的便利性，催生了社交、电子商务、移动支付、新聞聚合、生活服务等各个领域的超级 APP。这个时期可以看作是人们通过智能手机上网获取信息服务的时代，也就是移动互联网时代。

而互联网把“物与物”“物与人”都联接起来——我们则称之为物联网或者称万物互联（IOT），它是互联网的2.0升级版。中国已经拿到物联网最高话语权，所以物联网也是国家高度重视的一个发展方向，比如智能制造2025、车联网、工业互联网等，它其实也是物联网中的一部分，标志着物联网时代正向我们走来。

4.2 物联网技术对养老建筑设计理念的启迪

养老建筑的新设计理念要求解决两个问题：一个是老人行走、用手的无障碍（Accessibility），另外一个就是建筑色彩的易辨识、易触摸，遵循的是“怎么舒服怎么方便，就怎么设计”，是对建筑人性化的高度体现和表达。这是一个对生理机能日益衰弱或残疾者的“再造之术”，从另外一个意义上来说延伸了人的生命长度，提高了人类的生活质量，促进了社会的进步。

而现代物联网技术顾名思义，就是将事物连接起来形成一个互联网，实现信息和数据的传输和交换，是一种网络化、智能化的高度融合，它能实现对养老建筑的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化，体现人性简单、简约的生活方式。很多老人由于没有赶上互联网（NET）的时代步伐，常常为各种系统、软件、“APP”等网络知识的学习及使用而费神费力，又常常为面对家里数量众多的各种电器及“遥控器”（Remoter）、说明书而烦恼，物联网的“万物互联”和“集大成”理念必将给老年人的生活便利和舒适度带上一个崭新的高度，给每一个老年人提供一个“随心所动”的养老环境。

5、未来养老建筑的物联网技术

作为互联网的延伸，物联网利用通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，而它对于信息端的云计算和实体段的相关传感设备的需求，使得产业内的联合成为未来必然趋势，也为实际应用的领域打开无限可能。

5.1 物联网的养老建筑定义

物联网的养老建筑指的是将养老建筑空间内所有的末端家居设备（Devices）和生活設施（Facilities）通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通，应用大集成以及基于云计算的软件营运服务模式，在网络环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至适老性的实时在线监测、定位跟踪、报警与医患联动、家人互动、远程控制、安全防摔、远程维保、在线升级等管理和服务功能。

5.2 养老建筑要实现物联网需突破的技术要点

养老建筑的物联网设计首先要解决的问题是：智能家居和设备设施控制总线的互联互通，数据表达、交换，与处理的标准以及应用支撑的中间件架构问题。2021年 5月12日CSA连接标准联盟新推出一个旨在简化制造商的开发并提高消费者的兼容性matter应用层协议，目的就是实现智能家居设备能安全、可靠和无缝使用。该项目以网际互联协议（IP）为基础，并为设备定义一组基于IP的网络技术。

（如上图1所示，matter定义了部署在设备上的基于IPv6网络的用层，以实现互操作性架构目标）

matter的网络拓扑结构（计算机术语，是指用传输介质互连各种设备的物理布局。网络中的计算机等设备要实现互联，就需要以一定的结构方式进行连接，这种连接方式就叫做“拓扑结构”，通俗地讲就是这些网络设备是如何连接在一起的）：

（如上图2就是建筑物内一个简单的物联网拓扑结构图）

设备通过蓝牙加入到matter网络，设备通过Wi-Fi或 Thread（计算机术语，Google旗下Nest Labs于2014年7月提出的家庭物联网通讯协定技术Thread）相互连接，Wi-Fi组成星形网络，Thread组成Mesh（计算机术语，无线网格）网络。Thread设备通过边界路由器（Border Routers）连接到其它的基于IP的网络，网桥可以连接到其他协议的设备，例如Zigbee（计算机术语，也称“紫蜂”，是一种低速短距离传输的无线网上协议）和Z-Wave。

matter协议应用市场包括建筑内的照明、电工、门锁、百叶窗、电视、暖通和空调系统、安全传感器和控制器，网关等许多设备。

其次要实现养老建筑物的物联网化，还有一个重要的技术难题要解决的便是一些传感器和传感器网络的关键技术。在嵌入式移动设备中，比如智能手机，智能穿戴，家用医疗设备和其他一些智能硬件设备，所用到的物理传感器一般都是MEMS传感器即微机电系统（MicroelectroMechanical System）传感器。经过几十年的发展，已经成为了世界瞩目的重要科技之一，同时也涉及到了电子、机械、物理学等多学科的领域。和传统的传感器相比，MEMS传感器体积更小，重量轻，成本低，功耗低，可靠性高，具有集成开发等优势。

最 后 那 就 是 一 个 成 熟 完 整 的 物 联 网 系 统（HomeAssistant）是构建养老建筑智慧空间的神器。一个基于Python（计算机术语计算机编程语言）的智能家居、UI（计算机术语，用户界面）客制化（Theme）等等高度定制化设置。同样实现设备的Siri（计算机术语，苹果智能语音助手）控制。基于物联化，可以方便地连接各种外部设备（智能设备、摄像头、邮件、短消息、云服务等，成熟的可连接组件有近千种），手动或按照自己的需求自动化地联动这些外部设备，构建随心所欲的智慧空间。

物联网系统也像是一个运行智能规则的大脑，它可以与丰富的外部设备联动——获得信息、发送指令。它联接的设备和传感器内容丰富：

像Android手机摄像头——获得摄像头的视频流类似的，所有支持标准协议的硬件摄像头都可以接入。人脸识别——基于视频流，识别出其中的人脸是谁类似的，可以基于视频流进行文字识别、动作探测、噪音监控……。

像百度文字转语音服务——通过百度免费的TTS服务， 将文字（比如天气预报等文字信息）转换成语音（MP3）类似的，也可以使用voiceRSS、Google等的服务。

像KODI媒体播放器——将语音信号通过硬件播放出来类似的，可以用VLC、Gstreamer等软件，也可以直接连接外部的各种蓝牙音箱。

像亚马逊 ECHO——与亚马逊 ECHO 进行联动类似的，可以与各种外部的智能引擎联动，可以与苹果手机（Siri）进行联动，可以与GoogleAssistant联动，可以与IFTTT联动。

像小米温湿度传感器——获得环境的温湿度信息类似的，小米系列的各种传感器门窗开合、人体感应等都可以接入。

像Philips智能灯——控制Philips智能灯的开关、颜色、亮度类似的，小米智能灯、智能开关、宜家智能灯也可以被控制，还可以通过红外转发控制传统家电。

像发送邮件——可以发送邮件通知类似的，也可以发送手机短消息。Arduino——DIY的乐园类似的，可以自己写一些脚本、做一些串口设备，都可以联动起来……。

我们把可以连接到物联网系统大脑上的外部设备、程序、云服务统称为积木元素——就像搭乐高积木一样，物联网系统像胶水一样把不同积木粘合在一起，构建起养老建筑的智慧空间。

6、物联网技术在养老建筑上的應用和广阔前景

由于老年人身体相对的“弱势”状况，这就决定了养老建筑内互联 的“中枢”物联网系统，它需要大量而又丰富的组件就像大脑需要神经系统的神经元一样，通过组件连接外部世界。组件与组件之间会有相互的交互，但一般会通过hass（计算机术语，物联网系统运行的程序实例，俗称进程）内核中的状态、事件、服务机制来进行;类似于眼睛与手不会直接相互作用，但都连接到大脑，由大脑协调它们的相互作用。这就为养老建筑搭起了一个万物互联的平台和空间。

接下来我们需要安装传感器在养老建筑的房间内监测和收集基础数据，一般可以部署以下传感器：（表 1）

通过物联网matter通讯协议收集相关的数据，最后汇总到网关路由并在养老建筑物联网系统中做汇总和展示，再通过平台软件及中间件软件，把未来的和现有的智能物件和子系统链接起来，实现应用的大集成（GrandIntegration）和“管控营一体化”，躺在床上的老人也能随心所欲地完成他要的动作和服务，下面我们从四个重要方面举例物联网技术在老年人建筑中的应用：

6.1 物联网技术在老人摔倒监测中应用

科学家在老年人建筑中的物联网平台设置地板振动和声音感知的跌落检测系统，从房屋内位置传感器信号中提取时间和光谱特征，应用贝叶斯分类器对跌倒和非跌倒活动进行分类。在他们的研究中，使用一个模仿人类的洋娃娃来模拟摔倒，他们的系统检测到这种摔倒，摔倒检出率为97.5%，错误检出率为1.4%。科研人员设计在浴室安装了一套红外光敏电阻，使用Arduino进行控制，通过检查人体对红外激光的遮挡来判断是否跌倒，该系统的优势在于它使用了光屏障而不是图像识别来识别摔倒的人，同时收集到的数据可以通过XBee模块和Wi-Fi的网关无线传输到服务器上（如图3所示）。

6.2 物联网技术在无钥匙进门系统中的应用

为帮助解决老人找钥匙难，意外事件进户难的问题。我们设计了基于物联网的无钥匙进入系统，替换传统的钥匙进入的方式，取而代之使用生物识别作为入户的凭证依据。由于接入了物联网网关，设定好亲人的联系方式，可以采用远程控制的方式，对门锁进行控制，方便解决紧急情况下进入需求。

6.3 物联网技术在智能控制中的应用

基于光感器、温度计、气压计、紫外线、PM2.5传感器的智能控制系统，结合机器学习模型算法，可以自动控制窗户和窗帘开关程度。基于物联网的通讯协议，结合自然语言处理能力，可以做到被老人无缝控制开关。该系统可以应用于电灯、家电、窗户等设施的开关上，结合自动化和半自动化策略，能够方便的解决老人腿脚不方便的场合下的设备控制和使用。

6.4 物联网技术在适老性方面的应用

（1）残疾人上下床设备：能为老年人或行动不便者提供一个舒适护理环境，大大减轻护理人员的工作强度，可广泛用于家庭、病房等;

（2）“失禁感应器”：装在床边的墙上，如果老人失禁尿湿了褥单，感应器就会发出通知。尿不湿上装有电极，通过软导线链接报警器的开关电路，通过开关电路输出信号;电动入浴设施：行动不便及坐轮椅的老人，可以运用设备，在沐浴时可以根据老人需要，调整位置;

（3）探知感应设施：当老人上厕所30分钟以上时， 感应设施便会及时向看护人员报警;

（4）登楼机：一种座椅式电梯 ，老人可以坐着爬楼梯，打开座椅下方的电源，系上安全带，操纵启动手柄，座椅式电梯载着乘坐人员，徐徐上爬;

（5）还有感应式马桶和智能手环，在我们互联网时代就已经大行其道都可以物联网化，实现对老人如厕及血压、睡眠质量等各项信息、数据的监测，对数据进行分析反馈;

（6）健身设施互联互控，不出家门即可跟着电子屏跳操健身;

（7）养老建筑内需救助的老人与家人、社区、110（匪警）、119（火警）、120（医疗救护）互联互通，保证无助时能实现“应救能救”的温暖和谐社会。

结束语：

物联网技术给我们老年人和将成为老年人的朋友们提供了一个无限可能的理想生活，也必将成为21世纪人们的努力奋斗方向。但在目前还存在以下三个方面的问题：一是高昂的造价和使用成本，施工周期也长;二是各个制造厂商的通信协议还没有真正开放，技术整合任重道远;三是软件的可靠性和系统的扩展性都是我们需要面对的难题。不过互联网和5G技术的发展旅程告诉我们，现代技术的进步往往会超过人类想象的空间，我们有理由期待一个万物互联世界的出现，有理由相信我们老年人能用物联网实现自己想要的“家”。

参考文献：

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