智慧轮椅系统

责任编辑：王金旺智慧轮椅系统*马忠超The system of smart wheelchair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。关键词：轮椅；老人；脑电波；联网；报警；定位DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2016.11.012*基金项目：通信网信息传输与分发技术重点实验室课题（编号：EX156410046）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：图1 系统总体功能图2 系统方案www.eepw.com.cn 2016.124253Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.消费电子Consumer Electronics图3 轮椅功能及外观图4 查询界面轮椅：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。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。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。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4354ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2016.12Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.责任编辑：王金旺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。该产品可以图5 模拟套件图6 最终产品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。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。2.4 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.(上接第41页)输注完成后，系统会记录输注值，作为下次输注的起始参考值。复位过程通过单片机控制电机反向转动，单片机监控编码器数据，当数据异常时，跳入报警程序；当数据正确完成复输注结束后计数器不需清零，计数器中保留一定数据作为下次输注的起始值。例如电机需转动100圈，每次转到100圈后计数器从零开始重新计数，每次由于惯性原因多转5圈，计数器最后数据为5，则实际转动了105圈，造成5%的精度误差。但输注结束后保留计数器中的数据5，下次从6开始计数，计到表1 输入输出逻辑关系100后电机停止，惯性原因电机会继续转动5圈，则实际转动OAHLLLOBLHLL圈数为（100-5）+5=100圈，使输注精度更高。IAHLLHIBLHLH4 结语本文提出基于C8051F020单片机与直流电机实现微量药位时，复位过程结束。当总药量低于报警设定值时，会进行液晶界面显示提示，当药量为零时，系统会提示进行复位操作。当电量低于安全值时，系统停止工作，并通过发光二极管及蜂鸣器进行报警。电机输注过程中，当软件控制电机驱动芯片停止电机工作过程中，由于电机的惯性，会多转一定圈数，造成输注精度降低，但通过试验发现，每次多转的圈数基本一致，因此，在液输注的设计方案，经测试可实现微量输注，精度满足要求，达到了预期的设计目的。参考文献:[1]陈连坤.嵌入式系统的设计与开发[M].北京:北京交通大学出版社,2005．[2]袁衡新.浅谈输液系统的现状与展望[J].临床药物治疗杂志,2007,5（6）:43-45．[3]徐爱钧. 单片机高级语言应用编程与实践[M]. 北京:电子工业出版社，2013．[4]黄立培.电动机控制[M].北京:清华大学出版社,2003． [5]余学飞.医学电子仪器原理与设计[M].广州:华南理工大学出版社,2002．[6]李春慧,王欢. 静脉输液速度的影响因素与滴速选择[J].沈阳医学院学报,2008,10（3）:173-175．[7]李朝伟,李晓东. 注射泵一般原理和故障处理[J]. 医疗装备,2007,3．www.eepw.com.cn 2016.124455Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.