基于认知无线电通信的智能助老服务系统设计

李满江 周立 魏健 雷可君

摘   要：文章提出了一种基于认知无线电通信的智能助老服务系统的构建模式。一方面，将传感测量技术、信息技术、计算机技术和控制技术应用于助老服务，在医疗服务和生活服务方面尝试用人工智能来完成部分工作，以提高助老服务的先进性和可靠性。另一方面，针对智能化带来的传输数据急剧增加的情况，考虑通过认知无线电来搭建专用的助老服务系统通信網络，从而确保信息传输的稳定性、准确性和及时性。

关键词：助老服务;智能;系统;通信;认知无线电

随着老龄化社会的到来，老年人尤其是独居、空巢、孤寡老人的养老成为一个日益严峻的社会问题。当今社会生存竞争激烈，家庭子女特别是独生子女没有足够的时间和精力照顾老人，传统的“养儿防老”观念在现实的冲击下逐渐弱化，完全依靠家庭来养老的模式难以满足社会需求[1]。高龄老年人的自我照料能力差、行为和语言能力下降，需要大量的人力和物力对他们进行特别护理。然而，在目前的助老服务模式下，我国在短时间内很难通过社会养老来完全代替家庭养老[2]。因此，老年人对被照顾的需求与家庭和社会能提供的养护供给之间的矛盾日趋尖锐。将助老服务和现代信息技术结合起来，开发具有一定护理能力的助老服务系统以帮助老人生活起居，成了一种新型的“居家养老”模式。这种新型的养老模式符合时代发展的要求，是解决我国老年人养老过程中出现的各种问题的有效途径[3]。

鉴于此，笔者深入分析助老服务系统应该具备的各项功能，提出了一种基于认知无线电通信的智能助老服务系统，该系统具有实时监控、专网通信、服务内容丰富等特点，不仅注重老年人生活质量的提高，而且关注老年人的精神状态和心理健康，能为老年人提供诸如日常护理、线上线下陪伴、医疗帮助和康复指导等方面的服务，并在老年人遇到紧急情况时给予及时的救助。

1    智能助老服务系统的构建思路

要解决传统助老服务系统中存在的问题，需要投入大量的人力和物力，尤其是专业的医护团队、心理辅导团队和成熟的老年人活动策划团队的建立。随着我国老龄化的日益严重，老年人口日益增多，而劳动力尤其是具有专业知识的劳动力难以进入到助老服务系统中，因此，利用信息网络的资源共享功能、智能检测设备的监测能力、人工智能的替代作用和认知无线电通信网络安全高效的特点，建立具有及时通信、实时监控和活动内容丰富的线上、线下助老服务系统，是解决传统助老服务系统所面临困境的有效方法。

2    智能助老服务系统的总体结构

智能助老系统是家域网和广域网组成的二级结构，其中，家域网包括家庭智能医学设备、ARM中央控制平台、图像处理单元、人工智能服务和ZigBee无线传输5大模块;广域网由监控中心、数据分析与处理中心、系统服务中心和认知无线电网关4大模块组成。智能助老系统的总体二级结构如图1所示。

3    智能助老服务系统家域网的功能及其通信系统

3.1  家域网的功能

在智能助老系统的家域网（见图2）中，家庭智能医学设备模块和基于ARM芯片的中央控制平台是核心组成部分。家庭智能医学设备模块由多种智能检测仪器组成，负责监测老年人的健康指标。家庭智能医学设备的控制模块通过ZigBee无线通信技术与中央控制平台进行连接。一旦监测指标超过标准值，则立即通过中央控制平台启动智能报警模块。对家庭环境的实时监控则由智能监控设备完成，一旦出现异常情况，也将通过中央控制平台启动智能报警模块。此外，中央控制平台通过无线传输操控人工智能设备，使其为患病或生活不能自理的老人提供医疗服务和生活服务，通过全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）和用户（老人的监护人）连接，通过认知无线电通信模块和城域网的系统服务中心连接。

3.2  家域网的通信系统

家域网中家电设备和家庭智能医学设备发射信号时通常使用免费的工业、科学、医学（Industrial Scientific Medical，ISM）频带，例如IEEE 802.11 WLANs（2.4 GHz），WiFi（2.4 GHz和5 GHz）、蓝牙（2.4 GHz）和微波（2～40 GHz）。ZigBee是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输，智能家居通信系统通常采用ZigBee技术（2.4 GHz）构建家庭内部网络[4]。智能助老系统的家域网也借鉴智能家居采用ZigBee技术构建网络。因此，当家电设备、家庭智能医学设备、中央控制台同时使用2.4 GHz频段发送信号时，将不可避免地会发生信号冲突。解决这一问题的有效方法是将认知无线电技术（Cognitive Radio，CR）[5]应用到家域网中，使得家域网网关具有认知通信的功能，从而控制家域网中各种设备对2.4 GHz频谱的占用，确保各类信息的稳定传输。

4    智能助老服务系统广域网的功能及其通信系统

4.1  广域网的功能

广域网完成的助老服务功能主要包括监控信息的保存与查询、检测数据的分析与处理、多种服务的提供与管理。（1）广域网的监控中心：可以通过PC机对被照顾者进行实时监控，家人也可以随时随地通过互联网或者手机观察到被照顾者。（2）数据分析和处理中心：及时分析来自家域网的医疗、饮食、健康等各类检测数据，并根据数据分析情况进行相应的处理。（3）系统服务中心：提供护理、陪伴和医疗康复等方面的人员支持，并为丰富老年人的精神生活等相关活动提供活动组织策划、线上线下交友平台搭建等多种服务。广域网的结构框架如图3所示。

4.2  广域网的通信系统

目前，通信方式主要分为有线通信和无线通信两种，在长距离通信中有线方式以光纤通信为主，无线通信以3G/4G移动通信为主。智能助老服务系统中广域网的通信系统主要是确保各类信息在智能助老服务系统中进行高效、安全传输，若“搭乘”移动通信或互联网的“顺风车”，采用租用带宽的方式传输数据，虽然节约了建设成本和后期的维护管理费用，但其产生的租赁费用是相当可观的，而且还需考虑信息的安全性和保密性。若要构建智能助老系统的专用通信网络，必须考虑一些现实的因素，如建设成本、维护管理投入、通信设备的功耗、信息传输的稳定性等。显然，采用光纤构建智能助老系统的有线通信网络方案，在前期的网络建设成本和后期的维护管理费用方面均不占优势，而构建无线通信专用网络又必须面临频谱资源紧张的问题。认知无线电技术是一种有效利用频谱空洞的新技术，即允许非授权用户在授权用户未使用其合法频段（即频谱空洞存在）的前提下使用该频段，从而在极大提高频谱利用效率的同时，降低了网络的建设成本和运营维护成本。因此，在助老服务系统内部，为保证实时监控画面的及时有效传输、各种共享资源的流畅传递以及出于对老人健康状况和其家庭隐私的保护，笔者提出了构建以认知无线电为基础的专用通信网络的方案。

5    结语

本研究克服了传统助老模式存在的成本大、效率低、专业性不强等缺陷，利用现代监控技术、信息处理技术、感知技术和通信技术探究构建智能助老服务系统的模式，令其在提高助老服务的专业性、实时性和丰富性的同时，以资源共享的模式降低了重复建设的投入成本。让不愿离开家人的老人既得到安全保障，又不增加家人的精神负担，有利于家庭和睦，弘扬孝道。

[参考文献]

[1]张利华，张慧，郑煜明，等.基于地理信息系统的社区助老服务系统[J].计算机应用，2013（S2）：312-314.

[2]孙奕敏，王玙璠，艾浩军.基于助老服务机器人的智慧养老院系统研究[J].科技视界，2015（16）：27，96.

[3]侯来冬.基于移动通信终端的助老通信服务系统的分析与设计[D].北京：北京邮电大学，2012.

[4]杨堤.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].电子世界，2012（21）：16-17.

[5]姚继明，梁云，李炳林，等.认知无线电在智能电网中的研究进展及发展趋势[J].计算机科学，2013（Z11）：50-52.