智慧轮椅系统

作者/ 马忠超   哈尔滨工业大学 中电54所通信网信息传输与分发技术重点实验室(黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：本套智慧轮椅系统主要解决行动不便者的自由出行和安全出行问题。系统可以通过脑电波结合头部轻微动作控制运动，且融合了遥控和跟随移动功能。系统还具有自动避障功能，以防止用户的误操作导致碰撞等危险发生。在移动过程中，系统会实时上传当前位置、兴奋度以及心率等信息到服务器保存，用户亲属可以通过手机微信、APP或网站访问这些数据，从而辅助用户的健康护理工作。本系统还包括危险自动报警功能，在用户摔倒时及时地通过短信向其亲属报警。

引言

　　截止2014年底，中国60岁及以上的老年人占中国人口总数15.5%，达到了2.12亿;65岁及以上老年人占人口总数10.1%，达到了1.37亿。失能及半失能老年人近4000万。根据联合国预测，从1999年至2020年，世界老龄人口的平均增速约为2.5%，而我国人口的老龄化速度远高于世界平均水平，约为3.3%。在某些大城市，例如北京、上海等，老年人的比例已经接近五分之一。另外，中国还有近6000万的肢体残疾人，其中很大一部分不得不借助轮椅才能够正常生活。随着社会的发展，老年人和残疾人的生活受到了越来越多的关注。近年来，我国轮椅市场保持高速稳定的发展，但是产品结构单一，绝大部分产品是价格较低的普通轮椅，高端轮椅主要依靠进口。我国在智能轮椅的研发方面较西方发达国家晚，目前仍处于早期的研发阶段，距离批量生产还有很长的路要走。

1 系统设计

1.1 整体方案

　　本系统的整体功能如图1所示。使用者在轮椅上通过脑电波结合轻微动作、遥控或者跟随的方式控制轮椅移动，轮椅上的通信模块在后台自动上传使用者的地理位置、心率信息以及其脑电波反映出来的情绪状态。当检测到用户摔倒时，通过短信通知其家人迅速赶到当前地点，后退时，遇到障碍物停止运动。云服务器保存用户的出行轨迹、运动过程中的情绪以及心率状态，使用者家属可以随时随地上网查询。

　　系统主要分为三个模块，分别是轮椅、云服务器和手机/PC。各个模块的介绍如下：

　　轮椅：轮椅由一个检测脑电波和捕捉动作的帽子以及智能轮椅组成，智能轮椅可以选择使用头控、遥控或者跟随的方式来控制。轮椅在出行过程中会分析用户的脑电波情绪状态，实时上传用户的情绪、心率和当前位置信息，如果发现用户摔倒则自动报警。在轮椅的后侧安装有自动避障的装置，防止用户的错误操作造成碰撞。

　　云服务器：云服务器主要用于用户数据的存储和管理。亲属可以查询用户当前以及历史出行状态，包括位置、心率和情绪信息。

　　客户端：手机或电脑可用于浏览服务器保存数据。另外当用户摔倒时会收到报警短信。

　　本系统的主控芯片采用TI的MSP430F5438芯片，使用8M晶振即可满足系统的要求;GPRS模块采用SIM900A，不但可以发送短信，还可以进行网络通信;GPS模块用于实时检测用户的出行位置，使用ATK-NEO-6M模块实现，定位精度3米;脑电传感器采用NeuroSky公司的ThinkGear芯片，可以精确地捕捉到脑电波，并转化为数字信号;心率传感器采用pulsesensor模块，使用光电容积法测量脉搏，具有方法简单、佩戴方便、可靠性高等特点;超声波测距模块使用HC-SR04，性能稳定，测距精度为3毫米;遥控采用PT2262/2272无线发射接收模块，该模块常用于无线遥控开关、车库门等;服务器端使用云服务器，不但稳定性好，而且可以减少维护的成本;使用者的亲属可以通过浏览器、微信公众号以及手机APP访问服务器中的数据;轮椅与服务器的通信采用HTTP协议。具体框图如图2所示。

1.2 部分功能模块简介

　　MSP430处理器：该处理器是由美国德州仪器推出的超低功耗、具有精简指令集的处理器。本系统中使用的430F5xx系列具有I2C、UART、SPI、DMA、TIMER等外设。

　　ThinkGear传感器：该传感器使用干电极检测脑电信号，因而佩戴方便。采集到脑电波后进行数字化，并通过串口输出。采样的频率为512Hz。

　　SIM900A模块：该模块可以通过AT指令进行配置，不但可以收发短信，拨打电话，还可以使用HTTP协议连接网络。

　　ATK-NEO-6M模块：该模块使用u-center软件配置，配置后的数据保存在EEPROM，因而掉电后无需重新配置。

　　新浪云服务器(SAE)：SAE支持多种语言，包括本系统使用的PHP，还具有MySQL数据库以及Storage等功能。

2 系统实现及外观

2.1 轮椅

　　轮椅由两个部分组成：轮椅及其配套的帽子。其功能和外观如图3所示。其中帽子用于脑电波的采集、分析以及动作的捕捉。帽子与轮椅之间通过蓝牙传送数据。轮椅有跟随、遥控、头控、避障、自动报警、心率检测、自动定位、情绪分析和数据上传等功能。

　　轮椅在启动运行过程中可以随时选择头控、跟随、遥控三种控制方式之一。头控模式主要适用于双腿和双手都不太灵活的用户，或者出行过程中希望解放双手的用户。遥控模式主要适用于需要精确操纵轮椅的场合，例如进出电梯等。当用户有亲属在身边，则可以选择跟随模式，轮椅会自动地跟随周围的亲属进行运动。当选择头控模式时，用户必须戴上配套的帽子才能让轮椅工作，并且只有脑电波信号质量达到一定程度后才可以控制轮椅。如果出行过程中帽子掉落则轮椅会自动锁定，防止发生危险。

2.2 服务器

　　本系统的服务器端采用SAE服务器，通过HTML+PHP +JavaScript+MySQL构建，保存轮椅上传的各项信息，并提供浏览器接口、APP接口和微信公众号接口。

　　通过浏览器访问数据需要登录，然后可以以图表和地图的形式查看该用户出行的各项信息。网站默认显示用户最新定位的20个地点，用于绘制用户的出行轨迹，也可以选择查看历史信息。微信公众号和APP提供了更加方便快捷的查询方式。微信公众号可以通过发送“位置”指令查看用户的位置信息，但是由于微信限制只能发送20个数据点的信息，当亲属想要寻找用户时，可以通过发送“地图”查看用户的当前位置，并显示到达该处的最短路径。发送“情绪”可以查看用户的情绪信息，另外还可以通过微信公众号获取轮椅的使用帮助。手机APP功能与网站类似，不再赘述。以上三种方式查询的界面如图4所示。

2.3 模拟套件

　　轮椅的控制用到脑电波，因此用户前期需要进行训练，否则可能导致错误的控制操作。为此我们开发了辅助产品及其对应的软件，用于辅助新用户的训练。该产品可以完全模拟对轮椅的控制功能，其功能框图和外观如图5所示。

2.4 最终产品

　　最终产品外观如图6所示。

3 后续开发

　　后续将继续增强系统的稳定性，优化网页界面，增加便于集体用户集中管理轮椅的云端服务。

参考文献：

　　[1]田志宏,曹建光,刘秀红.超声波传感器在电动轮椅车上的应用研究[J].传感技术学报,2007,20(3):719-722.

　　[2]薛强,朱贤仲,张建国.多功能轮椅车设计及其有限元分析[J].机械设计与制造,2009(7):24-26.

　　[3]单新颖.对电动轮椅车标准相关内容的探讨[J].中国康复理论与实践,2013(10).

　　[4]鲍怡伶.电动轮椅车电磁兼容项目测试方法和总结[J].中国医疗器械信息,2016,22(11):60-62.

　　[5]黄精,王健.电动轮椅车的硬件电路设计[J].计算机与数字工程,2013,41(12):2016-2019.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第42页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。