作者/ 馬忠超   哈爾濱工業大學 中電54所通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室(黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：本套智慧輪椅系統主要解決行動不便者的自由出行和安全出行問題。系統可以通過腦電波結合頭部輕微動作控制運動，且融合了遙控和跟隨移動功能。系統還具有自動避障功能，以防止用戶的誤操作導致碰撞等危險發生。在移動過程中，系統會實時上傳當前位置、興奮度以及心率等信息到服務器保存，用戶親屬可以通過手機微信、APP或網站訪問這些數據，從而輔助用戶的健康護理工作。本系統還包括危險自動報警功能，在用戶摔倒時及時地通過短信向其親屬報警。

引言

　　截止2014年底，中國60歲及以上的老年人占中國人口總數15.5%，達到了2.12億;65歲及以上老年人占人口總數10.1%，達到了1.37億。失能及半失能老年人近4000萬。根據聯合國預測，從1999年至2020年，世界老齡人口的平均增速約為2.5%，而我國人口的老齡化速度遠高于世界平均水平，約為3.3%。在某些大城市，例如北京、上海等，老年人的比例已經接近五分之一。另外，中國還有近6000萬的肢體殘疾人，其中很大一部分不得不借助輪椅才能夠正常生活。隨著社會的發展，老年人和殘疾人的生活受到了越來越多的關注。近年來，我國輪椅市場保持高速穩定的發展，但是產品結構單一，絕大部分產品是價格較低的普通輪椅，高端輪椅主要依靠進口。我國在智能輪椅的研發方面較西方發達國家晚，目前仍處于早期的研發階段，距離批量生產還有很長的路要走。

1 系統設計

1.1 整體方案

　　本系統的整體功能如圖1所示。使用者在輪椅上通過腦電波結合輕微動作、遙控或者跟隨的方式控制輪椅移動，輪椅上的通信模塊在后臺自動上傳使用者的地理位置、心率信息以及其腦電波反映出來的情緒狀態。當檢測到用戶摔倒時，通過短信通知其家人迅速趕到當前地點，后退時，遇到障礙物停止運動。云服務器保存用戶的出行軌跡、運動過程中的情緒以及心率狀態，使用者家屬可以隨時隨地上網查詢。

　　系統主要分為三個模塊，分別是輪椅、云服務器和手機/PC。各個模塊的介紹如下：

　　輪椅：輪椅由一個檢測腦電波和捕捉動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控制。輪椅在出行過程中會分析用戶的腦電波情緒狀態，實時上傳用戶的情緒、心率和當前位置信息，如果發現用戶摔倒則自動報警。在輪椅的后側安裝有自動避障的裝置，防止用戶的錯誤操作造成碰撞。

　　云服務器：云服務器主要用于用戶數據的存儲和管理。親屬可以查詢用戶當前以及歷史出行狀態，包括位置、心率和情緒信息。

　　客戶端：手機或電腦可用于瀏覽服務器保存數據。另外當用戶摔倒時會收到報警短信。

　　本系統的主控芯片采用TI的MSP430F5438芯片，使用8M晶振即可滿足系統的要求;GPRS模塊采用SIM900A，不但可以發送短信，還可以進行網絡通信;GPS模塊用于實時檢測用戶的出行位置，使用ATK-NEO-6M模塊實現，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，并轉化為數字信號;心率傳感器采用pulsesensor模塊，使用光電容積法測量脈搏，具有方法簡單、佩戴方便、可靠性高等特點;超聲波測距模塊使用HC-SR04，性能穩定，測距精度為3毫米;遙控采用PT2262/2272無線發射接收模塊，該模塊常用于無線遙控開關、車庫門等;服務器端使用云服務器，不但穩定性好，而且可以減少維護的成本;使用者的親屬可以通過瀏覽器、微信公眾號以及手機APP訪問服務器中的數據;輪椅與服務器的通信采用HTTP協議。具體框圖如圖2所示。

1.2 部分功能模塊簡介

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

　　ThinkGear傳感器：該傳感器使用干電極檢測腦電信號，因而佩戴方便。采集到腦電波后進行數字化，并通過串口輸出。采樣的頻率為512Hz。

　　SIM900A模塊：該模塊可以通過AT指令進行配置，不但可以收發短信，撥打電話，還可以使用HTTP協議連接網絡。

　　ATK-NEO-6M模塊：該模塊使用u-center軟件配置，配置后的數據保存在EEPROM，因而掉電后無需重新配置。

　　新浪云服務器(SAE)：SAE支持多種語言，包括本系統使用的PHP，還具有MySQL數據庫以及Storage等功能。

2 系統實現及外觀

2.1 輪椅

　　輪椅由兩個部分組成：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、分析以及動作的捕捉。帽子與輪椅之間通過藍牙傳送數據。輪椅有跟隨、遙控、頭控、避障、自動報警、心率檢測、自動定位、情緒分析和數據上傳等功能。

　　輪椅在啟動運行過程中可以隨時選擇頭控、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合，例如進出電梯等。當用戶有親屬在身邊，則可以選擇跟隨模式，輪椅會自動地跟隨周圍的親屬進行運動。當選擇頭控模式時，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質量達到一定程度后才可以控制輪椅。如果出行過程中帽子掉落則輪椅會自動鎖定，防止發生危險。

2.2 服務器

　　本系統的服務器端采用SAE服務器，通過HTML+PHP +JavaScript+MySQL構建，保存輪椅上傳的各項信息，并提供瀏覽器接口、APP接口和微信公眾號接口。

　　通過瀏覽器訪問數據需要登錄，然后可以以圖表和地圖的形式查看該用戶出行的各項信息。網站默認顯示用戶最新定位的20個地點，用于繪制用戶的出行軌跡，也可以選擇查看歷史信息。微信公眾號和APP提供了更加方便快捷的查詢方式。微信公眾號可以通過發送“位置”指令查看用戶的位置信息，但是由于微信限制只能發送20個數據點的信息，當親屬想要尋找用戶時，可以通過發送“地圖”查看用戶的當前位置，并顯示到達該處的最短路徑。發送“情緒”可以查看用戶的情緒信息，另外還可以通過微信公眾號獲取輪椅的使用幫助。手機APP功能與網站類似，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行訓練，否則可能導致錯誤的控制操作。為此我們開發了輔助產品及其對應的軟件，用于輔助新用戶的訓練。該產品可以完全模擬對輪椅的控制功能，其功能框圖和外觀如圖5所示。

2.4 最終產品

　　最終產品外觀如圖6所示。

3 后續開發

　　后續將繼續增強系統的穩定性，優化網頁界面，增加便于集體用戶集中管理輪椅的云端服務。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第42頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。