徐志良，張瑞，張偉偉

（安徽新華學(xué)院，安徽合肥，230088）

0 引言

隨著殘疾人、空巢老人出行難的問題日益嚴(yán)重，社會對輪椅的需求日益增長。同時，對輪椅的安全性和功能的要求也越來越高。智能輪椅的研究開發(fā)在國外發(fā)達(dá)國家已廣泛開展，特別是近年來，隨著傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的發(fā)展，使智能輪椅在運動控制、功能拓展方面取得了更多提升，相繼開發(fā)出了多種各具特色的智能輪椅平臺。本項目以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)改進(jìn)傳統(tǒng)輪椅功能，通過多種傳感器、嵌入式開發(fā)板及智能手機(jī)相配合，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)在感知、傳輸、智能和控制四個四個方面的優(yōu)勢，以輪椅為系統(tǒng)中心節(jié)點，借助智能手機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對使用者狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)平臺。不僅可以幫助空巢老人及殘疾人群解決出行問題，還能為他們提供一定的安全監(jiān)控，減輕意外傷害程度。同時市場前景可觀，對弱勢人群幸福感提升與智慧型和諧社會的建設(shè)有利。

1 系統(tǒng)原理

本項目在普通電動輪椅的控制平臺上，利用嵌入式、多傳感器信息融合、無線傳輸和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種具備用戶狀態(tài)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的智能輪椅系統(tǒng)。系統(tǒng)由信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊、智能手機(jī)四大部分組成，并以輪椅為中心節(jié)點，建立起局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實時將使用者行動及基本健康信息上傳云平臺，并在出現(xiàn)不正常數(shù)據(jù)時及時遠(yuǎn)程報警。

2 研究內(nèi)容

本項目在普通電動輪椅的控制平臺上，利用嵌入式、多傳感器信息融合、無線傳輸和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計一種具備用戶狀態(tài)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控的智能輪椅系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對輪椅姿態(tài)、使用者坐姿和心跳速率的監(jiān)測和分析，以智能手機(jī)為媒介，將使用者的狀態(tài)實時上傳互聯(lián)網(wǎng)云平臺，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控目的。因此本項目研究的內(nèi)容有：

①使用者狀態(tài)監(jiān)測功能。利用多種傳感器，實時采集使用者坐姿、心跳速率與輪椅姿態(tài)信息，以嵌入式開發(fā)板為系統(tǒng)平臺，通過多傳感器信息的融合技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，判斷使用者是否處于不正常坐姿，進(jìn)而判斷是否存在健康或行駛安全問題。

②遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。以無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，以智能手機(jī)為媒介，開發(fā)Android系統(tǒng)下的通信應(yīng)用程序，將使用者狀態(tài)實時上傳云平臺。在輪椅使用者出現(xiàn)不正常坐姿或是輪椅姿態(tài)發(fā)生不正常變化時，通過云平臺向監(jiān)護(hù)人報警，便于及時采取救助措施。

3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本項目采用嵌入式、模塊化設(shè)計思路，對系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件設(shè)計、開發(fā)，實現(xiàn)基于對使用者姿態(tài)、心跳信息采集和輪椅狀態(tài)判斷、行跡追蹤的遠(yuǎn)程監(jiān)控及報警功能。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如1所示。系統(tǒng)硬件設(shè)計主要分為信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā)模塊。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

■3.1 信息采集模塊設(shè)計

信息采集模塊利用多種傳感器對輪椅及使用者的狀態(tài)，主要是輪椅姿態(tài)、使用者坐姿、心跳速率等，進(jìn)行監(jiān)測，并采集數(shù)據(jù)。

(1)本模塊利用了壓力傳感器來采集使用者的坐姿數(shù)據(jù)。

在輪椅坐墊及靠背上安裝多個壓力傳感器，構(gòu)成壓力傳感器陣。壓力傳感器陣通過感應(yīng)坐墊上的壓力和靠背上的壓力，收集使用者的坐姿數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。

(2)本模塊采用紅外反射式傳感器采集使用者的心跳速率。紅外反射式傳感器通過光敏管接收人體反射回的信號，并將信息傳遞到信息處理模塊，以此作為基本健康安全情況的判斷依據(jù)。

特定波長紅外線對于血管末端血液容積的變化十分敏感，利用此特性可以檢測由于心臟跳動而引起血管末端血液中血氧蛋白含量的變化。此信號經(jīng)放大、濾波等處理后，可以輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，進(jìn)而計算出脈率。

工作原理：接通5 V電源使紅外發(fā)射管發(fā)光，紅外發(fā)射管將紅外線射向人體，將透過皮膚組織反射回來的光射入接收管。通過檢測接收管的電流感知反射平面的反射強(qiáng)度，根據(jù)電流強(qiáng)弱，輸出不同強(qiáng)度的脈搏波。由于接收管收到的信號較弱，給紅外反射式傳感器設(shè)計一個放大電路，將信號放大。又因收集到的信號可能伴有其他信號，給傳感器設(shè)計一個濾波電路。

(3)本模塊用三軸加速度傳感器對于輪椅的姿態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

三軸加速度傳感器是基于加速度的基本原理去實現(xiàn)工作的。加速度是個空間矢量，一方面，要準(zhǔn)確了解輪椅的運動狀態(tài)，必須測得其三個坐標(biāo)軸上的分量。另一方面，在預(yù)先不知道輪椅運動方向的場合下，只有應(yīng)用三軸加速度傳感器來檢測加速度信號。由于三軸加速度傳感器也是基于重力原理的，因此用三軸加速度傳感器可以實現(xiàn)雙軸正負(fù)90度或雙軸0–360度的傾角，通過校正后期精度要高于雙軸加速度傳感器大于測量角度為60度的情況。

三軸加速度傳感器采集輪椅的傾斜角度，并將信息傳遞到信息處理模塊，作為信息處理模塊判斷輪椅是否處于不正常傾斜的依據(jù)。

■3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊既要對傳感器信息進(jìn)行融合與分析處理，同時還要作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行墓?jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)向云平臺的傳送。

數(shù)據(jù)處理模塊選用了嵌入式開發(fā)板—樹莓派。

以樹莓派為代表的微型電腦，它是一款基于ARM的微型電腦主板, 以SD/Micro SD卡為內(nèi)存硬盤, 可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線, 同時擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口, 只需接通電視機(jī)和鍵盤, 就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。

雖然其設(shè)計初衷是普及計算機(jī)編程教育，但面世之后，因其具備PC基本功能，且體積小，擴(kuò)展方便，已成為創(chuàng)客進(jìn)行改造和創(chuàng)新的有力工具。

加之傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和智能手機(jī)的普及，利用智能手機(jī)實現(xiàn)更為強(qiáng)大功能的場景在生產(chǎn)和生活中越來廣泛。目前智能手機(jī)大部分采用的是安卓技術(shù)，它是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、JAVA技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)，電子科學(xué)與技術(shù)，通信工程等專業(yè)基礎(chǔ)上融合發(fā)展起來的，目前已形成較為成熟一套體系。

本模塊采用嵌入式開發(fā)板—樹莓派為主控單元，構(gòu)建系統(tǒng)的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點，一方面，匯集信息采集模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取輪椅位置，判定使用者是否處在正常坐姿及是否出現(xiàn)輪椅傾翻情況。另一方面，采用無線傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)包傳送給智能手機(jī)，再以智能手機(jī)為媒介，將使用者狀態(tài)實時上傳互聯(lián)網(wǎng)云平臺來實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時選擇是否采取遠(yuǎn)程報警措施。

■3.3 無線收發(fā)模塊

輪椅使用者的各項信息通過傳感器采集后需向數(shù)據(jù)處理模塊輸送，同時經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)要實時傳送至互聯(lián)網(wǎng)云平臺。這些功能需要通過無線收發(fā)模塊實現(xiàn)。

無線收發(fā)模塊以無線傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)，采用GPS模塊和藍(lán)牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)在信息采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊間的傳輸，并以智能手機(jī)為媒介，將采集到的信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)健康平臺。

采用可以實現(xiàn)一對多通信功能的藍(lán)牙模塊HM–11兩個。一個設(shè)為主機(jī)模式，用于匯集各傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。另一個設(shè)為從機(jī)模式，負(fù)責(zé)接收經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)，并上傳至智能手機(jī)。

采用GPS–15W實現(xiàn)對于輪椅位置的跟蹤。在NMEA–0183協(xié)議下，利用數(shù)據(jù)處理模塊對代表全球定位數(shù)據(jù)的GGA語句進(jìn)行解析，即可提取經(jīng)緯度信息。

各模塊設(shè)計、安裝完成后，圍繞智能手機(jī)在項目中的媒介功能，在Android系統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議及HTTP協(xié)議下，開發(fā)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)Andriod系統(tǒng)手機(jī)通過藍(lán)牙獲得開發(fā)板輸出數(shù)據(jù)并上傳網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺的功能。

4 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

根據(jù)具備健康與安全行駛遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能輪椅系統(tǒng)的運行情況，系統(tǒng)的主程序流程如圖2所示。系統(tǒng)的主程序是整個智能輪椅系統(tǒng)軟件編寫的整體框架，也是系統(tǒng)整個運行程序依據(jù)。系統(tǒng)首先完成硬件初始化，然后采集輪椅位置、輪椅狀態(tài)、坐姿、心率等信息。將信息上傳信息處理系統(tǒng)。信息處理系統(tǒng)對采集到的信息進(jìn)行處理和分析，并將這些信息上傳到用戶手機(jī)和云平臺。如果坐墊壓力和靠背的壓力相匹配，同時輪椅的傾斜角度小于設(shè)定值，同時心率在正常范圍內(nèi)，那么程序返回初始化。否則，程序會遠(yuǎn)程報警。直到接收到停止命令結(jié)束。

圖2 主程序流程圖

5 結(jié)論

本項目以樹莓派作為主控模塊和中心節(jié)點，利用安卓系統(tǒng)開發(fā)平臺，以藍(lán)牙技術(shù)建立信息采集模塊與中心節(jié)點、中心節(jié)點與智能手機(jī)之間信息的流動聯(lián)系。以多種傳感器感知外部信息，利用樹莓派的數(shù)據(jù)處理功能通過算法對輪椅使用者的狀態(tài)進(jìn)行分析，以GPS跟蹤輪椅位置，以智能手機(jī)實現(xiàn)中心節(jié)點數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)云平臺的上傳。將系統(tǒng)硬件部分安裝在電動輪椅上，實現(xiàn)項目功能。

本項目創(chuàng)新點之一是以多傳感器信息融合判斷使用者基本狀態(tài)。創(chuàng)新點之二是利用智能手機(jī)實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)平臺。

本項目可以較好的對輪椅使用者的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，具有安全監(jiān)測和行跡追蹤的功能，解決了行動不便的老人及殘疾人日常生活中出行與日常安全監(jiān)控的兩個最大難題。具有相當(dāng)大的實用性。且成本較低，推廣性較強(qiáng)。