助殘智能無線鼠標

張薛歡++林少沖++王晗++謝云虎

摘 要：隨著社會的發展，科學技術的不斷進步，人們的生活越來越多地依賴于電腦。然而電腦的出現并不是給所有人的生活都帶來了便利，對于那些無臂或者高位截癱的殘障人士來說，鼠標的操控成了最大的問題。因此本文針對無臂或者高位截癱的殘障人士使用電腦困難的問題，設計了一種依靠識別頭部移動和識別語音的系統來控制電腦光標的移動，使其可以自如地操作電腦。在很大程度上便利了其生活。且此項設計還能夠實現記錄人使用鼠標的時間長短，具有提醒人們休息進而起到防止疲勞的作用。

關鍵詞：識別控制；鼠標智能化；康復工程

在信息高速發展的現代社會，電腦逐漸成為家庭的必需品，但是這電腦的操控在很大程度上都依賴于人的手臂，所以對于那些無臂殘疾人士或者高位截癱患者來說難以操作，不便于他們與外界的溝通甚至是自己生活方面的便利。現有的一些聲控鼠標，因為受到噪聲的干擾，只能在特定的環境中進行使用。并且現有的陀螺儀設備雖然也能實現定位功能但是對使用者的限制比較大，給使用帶來了很大的局限性。所以，研究出一種能夠幫助無臂患者使用電腦的鼠標十分必要，這將極大地便利其生活。

1 智能助殘鼠標的概述

我們在使用該系統時，可利用某種掛飾載體夾將其固定在耳麥或者耳機上，若電源開關打開，各模塊指示燈亮，無線主從模塊開始配對，一旦無線指示燈提示配對成功且語音模塊采集到使用者“開始”語音控制指令，整個系統開始工作。系統工作時，通過人頭部的上下左右移動，帶動MPU6050的移動，MPU6050感應到移動并將這種移動信號轉化成相應的電信號，以無線的形式傳送至電腦，控制光標移動。通過LD3320采集人的語音信息，經無線的形式傳輸至電腦，控制鼠標的“單擊”、“雙擊”、選中和調用鍵盤打字等功能，甚至是控制家用電器的開關。通過VB鼠標上位機將光標控制在小范圍內移動，避免頭部過度勞累。通過VB電器控制上位機將控制指令包括在一個上位機界面內，點擊相應選項即可控制紅熱釋電人體紅外傳感器模塊對電器進行相關操作，實現語音和電器上位機對家電的雙控制。

2 助殘智能無線鼠標設備的構成

2.1 硬件模塊構成及描述

主要模塊包括：主控制器模塊、重力傳感器模塊、語音識別模塊、紅外線發射傳感器模塊、無線藍牙模塊、電源模塊。主控制器模塊利用擁有高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統的STM32微型處理器作為微控制器來實現對整個系統的控制。嵌入式系統是一種完全嵌入受控器件內部的專用計算機系統。其以應用程序為核心并且也可進行裁剪從而滿足應用系統的功能，有代碼規模小、自動化水平高、處理響應快、成本小、功耗低等特點。重力傳感器模塊優先選用MPU6050六軸傳感器。其負責將采集到的數據經濾波處理后通過 IO 口傳給 STM32 單片機， 然后由控制器進行數據處理后通過 SPI 通信總線將數據傳送給射頻模塊發射端，發射端在單片機的控制下將數據發給從機進行處理。需要特別指出的是MPU6050 并不單單是一款傳感器，其內部集成的數字運動處理器 DMP，可以直接運算出四元數和姿態，而不再需要另外進行數學運算。由DMP實現姿態解算算法將單片機從算法處理的壓力中解放出來，單片機所要做的是等待 DMP解算完成后產生的外部中斷，在外部中斷里去讀取姿態解算的結果。這樣，單片機就有大量的時間來處理其他任務，提高了系統的實時性。 語音識別模塊LD3320的在助殘智能無線鼠標的應用如下。首先，利用其在一定條件下采集人的語音信息，錄入指令，例如“左鍵”、“右鍵”、“雙擊”、“校正”、“加速”、“減速”、“停止”、“終止”等指令。若非特定人語音識別模塊采集到相應的光標控制指令，則可控制光標，實現鼠標的相應功能，例如，“單擊”、“雙擊”、“停止”等若采集到電器語音控制指令，則選擇選中電器進行語音控制，對于開關，將繼電器模塊的端接到零線開關上，用語音控制高低電平來實現對點燈的控制，對于電器，加入相應的語音控制指令，例如遙控器所需要的數字“1，2，3，4，5，6，7，8，9”和一些常用的字按鍵針對于電視，有“電視、開、關、加、減、確定”等等針對于空調，有“空調、開、關、加、減、制熱、制冷、風速”等等針對于電燈，有“電燈、開、關”等等，利用這些指令進行相關控制，在這其中，有些按鍵語音可以使用同一條指令，完全滿足語言模塊容量條的要求。若采集到鍵盤調用指令，則可調用屏幕鍵盤，進行打字。本文采用熱釋電人體紅外傳感器作為紅外線發射傳感器模塊。熱釋電人體紅外傳感器由敏感單元，阻抗變換管和濾光窗等構成。當敏感單元檢測不到人體輻射的紅外能時，傳感器無電流，也即是沒有輸出。當人體靜止在檢測區時，其上的兩個電極上的紅外光的光量達到平衡，電極上產生等量的光電流，此光電流在回路中相抵銷，傳感器仍無信號輸出。同理，在燈光和陽光下，因陽光移動速度極緩慢，再加上傳感器的響應頻率很低和傳感器對紅外光的敏感波長范圍很窄，傳感器對它們不敏感。當環境溫度變化時引起傳感器本身溫度變化，因兩個電極是用同種材料，同樣大小，且在同一晶片上所以產生的等量光電流也相互抵銷，傳感器也無信號輸出。從原理上講，任何發熱體都會產生紅外線，熱釋電紅外傳感器敏感單元對紅外線的感受表現在敏感單元的溫度變化，而溫度的變化導致電信號的變化。環境與自身的溫度變化由其內部結構決定了不向外輸出信號；而傳感器的低頻響應和特定紅外波長響應決定了傳感器只對外界的紅外輻射而引起本身的溫度變化敏感，或者說只對人體的運動敏感。因此，熱釋電人體紅外傳感器可以抗可見光及其中極大部分紅外線的干擾。而濾光窗也能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線通過。對于無線模塊，本文中鼠標的發送端與接收端之間通過Zigbee協議進行通信，兩者之間采用網狀拓撲結構，并對發送端與接收端進行綁定，可以一對一發送、一對多發送、多對一發送，從而實現主從機的交互。

2.2 軟件的構成

軟件的構成主要分為以下幾大部分：第一，系統能夠根據MPU6050重力傳感器模塊、LD3320語音識別模塊和Zigbee無線模塊接收到的信息經過STM32的處理之后對相應設備發出相應的指令使其進行工作。第二，我們使用的是VB鼠標上位機和VB電器控制上位機，VB是Windows下一個面向對象的程序設計語言，其本身就支持鼠標。通過VB鼠標上位機將光標控制在小范圍內移動，避免頭部過分勞累通過VB電器控制上位機將控制指令包括在一個上位機界面內，點擊相應選項即可控制紅外線發射器模塊對電器進行相關操作，實現語音和電器上位機對家電的雙控制。

3 助殘智能鼠標的應用

本文研究的助殘智能鼠標主要是致力于便利無臂或者高位截癱患者的生活，使他們能夠自如地操作電腦和其他多種電器。不僅如此，此次研究的助殘智能無線鼠標還能夠記錄人們使用電腦時間的長短，能夠在規定的時間里提醒人們應該放松一下自己的眼睛，具有防疲勞的作用。

4 結語

綜上所述，作為一項康復工程，助殘智能無線鼠標將工程技術更好地應用于醫學領域，使殘障人士的生活能力能夠得到更好的補償，最大限度地恢復其獨立生活、學習、工作、回歸社會、參與社會的能力。

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