智慧輪椅系統(tǒng)

作者/ 馬忠超   哈爾濱工業(yè)大學(xué) 中電54所通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：本套智慧輪椅系統(tǒng)主要解決行動(dòng)不便者的自由出行和安全出行問(wèn)題。系統(tǒng)可以通過(guò)腦電波結(jié)合頭部輕微動(dòng)作控制運(yùn)動(dòng)，且融合了遙控和跟隨移動(dòng)功能。系統(tǒng)還具有自動(dòng)避障功能，以防止用戶的誤操作導(dǎo)致碰撞等危險(xiǎn)發(fā)生。在移動(dòng)過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)上傳當(dāng)前位置、興奮度以及心率等信息到服務(wù)器保存，用戶親屬可以通過(guò)手機(jī)微信、APP或網(wǎng)站訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)，從而輔助用戶的健康護(hù)理工作。本系統(tǒng)還包括危險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警功能，在用戶摔倒時(shí)及時(shí)地通過(guò)短信向其親屬報(bào)警。

引言

　　截止2014年底，中國(guó)60歲及以上的老年人占中國(guó)人口總數(shù)15.5%，達(dá)到了2.12億;65歲及以上老年人占人口總數(shù)10.1%，達(dá)到了1.37億。失能及半失能老年人近4000萬(wàn)。根據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，從1999年至2020年，世界老齡人口的平均增速約為2.5%，而我國(guó)人口的老齡化速度遠(yuǎn)高于世界平均水平，約為3.3%。在某些大城市，例如北京、上海等，老年人的比例已經(jīng)接近五分之一。另外，中國(guó)還有近6000萬(wàn)的肢體殘疾人，其中很大一部分不得不借助輪椅才能夠正常生活。隨著社會(huì)的發(fā)展，老年人和殘疾人的生活受到了越來(lái)越多的關(guān)注。近年來(lái)，我國(guó)輪椅市場(chǎng)保持高速穩(wěn)定的發(fā)展，但是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)單一，絕大部分產(chǎn)品是價(jià)格較低的普通輪椅，高端輪椅主要依靠進(jìn)口。我國(guó)在智能輪椅的研發(fā)方面較西方發(fā)達(dá)國(guó)家晚，目前仍處于早期的研發(fā)階段，距離批量生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體方案

　　本系統(tǒng)的整體功能如圖1所示。使用者在輪椅上通過(guò)腦電波結(jié)合輕微動(dòng)作、遙控或者跟隨的方式控制輪椅移動(dòng)，輪椅上的通信模塊在后臺(tái)自動(dòng)上傳使用者的地理位置、心率信息以及其腦電波反映出來(lái)的情緒狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到用戶摔倒時(shí)，通過(guò)短信通知其家人迅速趕到當(dāng)前地點(diǎn)，后退時(shí)，遇到障礙物停止運(yùn)動(dòng)。云服務(wù)器保存用戶的出行軌跡、運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的情緒以及心率狀態(tài)，使用者家屬可以隨時(shí)隨地上網(wǎng)查詢。

　　系統(tǒng)主要分為三個(gè)模塊，分別是輪椅、云服務(wù)器和手機(jī)/PC。各個(gè)模塊的介紹如下：

　　輪椅：輪椅由一個(gè)檢測(cè)腦電波和捕捉動(dòng)作的帽子以及智能輪椅組成，智能輪椅可以選擇使用頭控、遙控或者跟隨的方式來(lái)控制。輪椅在出行過(guò)程中會(huì)分析用戶的腦電波情緒狀態(tài)，實(shí)時(shí)上傳用戶的情緒、心率和當(dāng)前位置信息，如果發(fā)現(xiàn)用戶摔倒則自動(dòng)報(bào)警。在輪椅的后側(cè)安裝有自動(dòng)避障的裝置，防止用戶的錯(cuò)誤操作造成碰撞。

　　云服務(wù)器：云服務(wù)器主要用于用戶數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。親屬可以查詢用戶當(dāng)前以及歷史出行狀態(tài)，包括位置、心率和情緒信息。

　　客戶端：手機(jī)或電腦可用于瀏覽服務(wù)器保存數(shù)據(jù)。另外當(dāng)用戶摔倒時(shí)會(huì)收到報(bào)警短信。

　　本系統(tǒng)的主控芯片采用TI的MSP430F5438芯片，使用8M晶振即可滿足系統(tǒng)的要求;GPRS模塊采用SIM900A，不但可以發(fā)送短信，還可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;GPS模塊用于實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的出行位置，使用ATK-NEO-6M模塊實(shí)現(xiàn)，定位精度3米;腦電傳感器采用NeuroSky公司的ThinkGear芯片，可以精確地捕捉到腦電波，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào);心率傳感器采用pulsesensor模塊，使用光電容積法測(cè)量脈搏，具有方法簡(jiǎn)單、佩戴方便、可靠性高等特點(diǎn);超聲波測(cè)距模塊使用HC-SR04，性能穩(wěn)定，測(cè)距精度為3毫米;遙控采用PT2262/2272無(wú)線發(fā)射接收模塊，該模塊常用于無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)、車庫(kù)門(mén)等;服務(wù)器端使用云服務(wù)器，不但穩(wěn)定性好，而且可以減少維護(hù)的成本;使用者的親屬可以通過(guò)瀏覽器、微信公眾號(hào)以及手機(jī)APP訪問(wèn)服務(wù)器中的數(shù)據(jù);輪椅與服務(wù)器的通信采用HTTP協(xié)議。具體框圖如圖2所示。

1.2 部分功能模塊簡(jiǎn)介

　　MSP430處理器：該處理器是由美國(guó)德州儀器推出的超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的處理器。本系統(tǒng)中使用的430F5xx系列具有I2C、UART、SPI、DMA、TIMER等外設(shè)。

　　ThinkGear傳感器：該傳感器使用干電極檢測(cè)腦電信號(hào)，因而佩戴方便。采集到腦電波后進(jìn)行數(shù)字化，并通過(guò)串口輸出。采樣的頻率為512Hz。

　　SIM900A模塊：該模塊可以通過(guò)AT指令進(jìn)行配置，不但可以收發(fā)短信，撥打電話，還可以使用HTTP協(xié)議連接網(wǎng)絡(luò)。

　　ATK-NEO-6M模塊：該模塊使用u-center軟件配置，配置后的數(shù)據(jù)保存在EEPROM，因而掉電后無(wú)需重新配置。

　　新浪云服務(wù)器(SAE)：SAE支持多種語(yǔ)言，包括本系統(tǒng)使用的PHP，還具有MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)以及Storage等功能。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及外觀

2.1 輪椅

　　輪椅由兩個(gè)部分組成：輪椅及其配套的帽子。其功能和外觀如圖3所示。其中帽子用于腦電波的采集、分析以及動(dòng)作的捕捉。帽子與輪椅之間通過(guò)藍(lán)牙傳送數(shù)據(jù)。輪椅有跟隨、遙控、頭控、避障、自動(dòng)報(bào)警、心率檢測(cè)、自動(dòng)定位、情緒分析和數(shù)據(jù)上傳等功能。

　　輪椅在啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中可以隨時(shí)選擇頭控、跟隨、遙控三種控制方式之一。頭控模式主要適用于雙腿和雙手都不太靈活的用戶，或者出行過(guò)程中希望解放雙手的用戶。遙控模式主要適用于需要精確操縱輪椅的場(chǎng)合，例如進(jìn)出電梯等。當(dāng)用戶有親屬在身邊，則可以選擇跟隨模式，輪椅會(huì)自動(dòng)地跟隨周圍的親屬進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。當(dāng)選擇頭控模式時(shí)，用戶必須戴上配套的帽子才能讓輪椅工作，并且只有腦電波信號(hào)質(zhì)量達(dá)到一定程度后才可以控制輪椅。如果出行過(guò)程中帽子掉落則輪椅會(huì)自動(dòng)鎖定，防止發(fā)生危險(xiǎn)。

2.2 服務(wù)器

　　本系統(tǒng)的服務(wù)器端采用SAE服務(wù)器，通過(guò)HTML+PHP +JavaScript+MySQL構(gòu)建，保存輪椅上傳的各項(xiàng)信息，并提供瀏覽器接口、APP接口和微信公眾號(hào)接口。

　　通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)數(shù)據(jù)需要登錄，然后可以以圖表和地圖的形式查看該用戶出行的各項(xiàng)信息。網(wǎng)站默認(rèn)顯示用戶最新定位的20個(gè)地點(diǎn)，用于繪制用戶的出行軌跡，也可以選擇查看歷史信息。微信公眾號(hào)和APP提供了更加方便快捷的查詢方式。微信公眾號(hào)可以通過(guò)發(fā)送“位置”指令查看用戶的位置信息，但是由于微信限制只能發(fā)送20個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息，當(dāng)親屬想要尋找用戶時(shí)，可以通過(guò)發(fā)送“地圖”查看用戶的當(dāng)前位置，并顯示到達(dá)該處的最短路徑。發(fā)送“情緒”可以查看用戶的情緒信息，另外還可以通過(guò)微信公眾號(hào)獲取輪椅的使用幫助。手機(jī)APP功能與網(wǎng)站類似，不再贅述。以上三種方式查詢的界面如圖4所示。

2.3 模擬套件

　　輪椅的控制用到腦電波，因此用戶前期需要進(jìn)行訓(xùn)練，否則可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的控制操作。為此我們開(kāi)發(fā)了輔助產(chǎn)品及其對(duì)應(yīng)的軟件，用于輔助新用戶的訓(xùn)練。該產(chǎn)品可以完全模擬對(duì)輪椅的控制功能，其功能框圖和外觀如圖5所示。

2.4 最終產(chǎn)品

　　最終產(chǎn)品外觀如圖6所示。

3 后續(xù)開(kāi)發(fā)

　　后續(xù)將繼續(xù)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)化網(wǎng)頁(yè)界面，增加便于集體用戶集中管理輪椅的云端服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

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本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第42頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。