具備健康與安全行駛遠程監控功能的智能輪椅系統

徐志良，張瑞，張偉偉

（安徽新華學院，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在國外發達國家已廣泛開展，特別是近年來，隨著傳感器、物聯網等技術的發展，使智能輪椅在運動控制、功能拓展方面取得了更多提升，相繼開發出了多種各具特色的智能輪椅平臺。本項目以物聯網技術為基礎改進傳統輪椅功能，通過多種傳感器、嵌入式開發板及智能手機相配合，充分發揮物聯網在感知、傳輸、智能和控制四個四個方面的優勢，以輪椅為系統中心節點，借助智能手機和通信網絡實現對使用者狀態的遠程監控及數據上傳網絡平臺。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有利。

1 系統原理

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、無線傳輸和物聯網技術，設計一種具備用戶狀態遠程實時監控的智能輪椅系統。系統由信息采集模塊、數據處理模塊、無線收發模塊、智能手機四大部分組成，并以輪椅為中心節點，建立起局域網網絡，實時將使用者行動及基本健康信息上傳云平臺，并在出現不正常數據時及時遠程報警。

2 研究內容

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、無線傳輸和物聯網技術，設計一種具備用戶狀態遠程實時監控的智能輪椅系統。該系統通過對輪椅姿態、使用者坐姿和心跳速率的監測和分析，以智能手機為媒介，將使用者的狀態實時上傳互聯網云平臺，達到遠程監控目的。因此本項目研究的內容有：

①使用者狀態監測功能。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信息，以嵌入式開發板為系統平臺，通過多傳感器信息的融合技術，對數據進行分析與處理，判斷使用者是否處于不正常坐姿，進而判斷是否存在健康或行駛安全問題。

②遠程監控功能。以無線傳輸技術為基礎，以智能手機為媒介，開發Android系統下的通信應用程序，將使用者狀態實時上傳云平臺。在輪椅使用者出現不正常坐姿或是輪椅姿態發生不正常變化時，通過云平臺向監護人報警，便于及時采取救助措施。

3 系統硬件電路設計

本項目采用嵌入式、模塊化設計思路，對系統進行軟硬件設計、開發，實現基于對使用者姿態、心跳信息采集和輪椅狀態判斷、行跡追蹤的遠程監控及報警功能。系統的硬件結構框圖如1所示。系統硬件設計主要分為信息采集模塊、數據處理模塊、無線收發模塊。

圖1 硬件結構圖

■3.1 信息采集模塊設計

信息采集模塊利用多種傳感器對輪椅及使用者的狀態，主要是輪椅姿態、使用者坐姿、心跳速率等，進行監測，并采集數據。

(1)本模塊利用了壓力傳感器來采集使用者的坐姿數據。

在輪椅坐墊及靠背上安裝多個壓力傳感器，構成壓力傳感器陣。壓力傳感器陣通過感應坐墊上的壓力和靠背上的壓力，收集使用者的坐姿數據，并把數據傳送給數據處理模塊。

(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。

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，進而計算出脈率。

工作原理：接通5 V電源使紅外發射管發光，紅外發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度，根據電流強弱，輸出不同強度的脈搏波。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進行數據采集。

三軸加速度傳感器是基于加速度的基本原理去實現工作的。加速度是個空間矢量，一方面，要準確了解輪椅的運動狀態，必須測得其三個坐標軸上的分量。另一方面，在預先不知道輪椅運動方向的場合下，只有應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雙軸正負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。

■3.2 數據處理模塊

數據處理模塊既要對傳感器信息進行融合與分析處理，同時還要作為數據傳輸的中心節點，實現數據向云平臺的傳送。

數據處理模塊選用了嵌入式開發板—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卡為內存硬盤, 可連接鍵盤、鼠標和網線, 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, 只需接通電視機和鍵盤, 就能執行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。

雖然其設計初衷是普及計算機編程教育，但面世之后，因其具備PC基本功能，且體積小，擴展方便，已成為創客進行改造和創新的有力工具。

加之傳感器技術、網絡的發展和智能手機的普及，利用智能手機實現更為強大功能的場景在生產和生活中越來廣泛。目前智能手機大部分采用的是安卓技術，它是在互聯網技術、JAVA技術、數據庫技術、計算機科學與技術，電子科學與技術，通信工程等專業基礎上融合發展起來的，目前已形成較為成熟一套體系。

本模塊采用嵌入式開發板—樹莓派為主控單元，構建系統的局域網網絡中心節點，一方面，匯集信息采集模塊獲得的數據進行分析處理，獲取輪椅位置，判定使用者是否處在正常坐姿及是否出現輪椅傾翻情況。另一方面，采用無線傳輸技術將數據包傳送給智能手機，再以智能手機為媒介，將使用者狀態實時上傳互聯網云平臺來實現遠程監控，同時選擇是否采取遠程報警措施。

■3.3 無線收發模塊

輪椅使用者的各項信息通過傳感器采集后需向數據處理模塊輸送，同時經過處理的數據要實時傳送至互聯網云平臺。這些功能需要通過無線收發模塊實現。

無線收發模塊以無線傳輸技術為基礎，采用GPS模塊和藍牙模塊實現數據在信息采集模塊和數據處理模塊間的傳輸，并以智能手機為媒介，將采集到的信息上傳到互聯網健康平臺。

采用可以實現一對多通信功能的藍牙模塊HM–11兩個。一個設為主機模式，用于匯集各傳感器采集的數據，然后傳送給數據處理模塊。另一個設為從機模式，負責接收經過處理后的數據，并上傳至智能手機。

采用GPS–15W實現對于輪椅位置的跟蹤。在NMEA–0183協議下，利用數據處理模塊對代表全球定位數據的GGA語句進行解析，即可提取經緯度信息。

各模塊設計、安裝完成后，圍繞智能手機在項目中的媒介功能，在Android系統藍牙協議及HTTP協議下，開發應用程序實現Andriod系統手機通過藍牙獲得開發板輸出數據并上傳網絡監控平臺的功能。

4 系統軟件部分設計

根據具備健康與安全行駛遠程監控功能的智能輪椅系統的運行情況，系統的主程序流程如圖2所示。系統的主程序是整個智能輪椅系統軟件編寫的整體框架，也是系統整個運行程序依據。系統首先完成硬件初始化，然后采集輪椅位置、輪椅狀態、坐姿、心率等信息。將信息上傳信息處理系統。信息處理系統對采集到的信息進行處理和分析，并將這些信息上傳到用戶手機和云平臺。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定值，同時心率在正常范圍內，那么程序返回初始化。否則，程序會遠程報警。直到接收到停止命令結束。

圖2 主程序流程圖

5 結論

本項目以樹莓派作為主控模塊和中心節點，利用安卓系統開發平臺，以藍牙技術建立信息采集模塊與中心節點、中心節點與智能手機之間信息的流動聯系。以多種傳感器感知外部信息，利用樹莓派的數據處理功能通過算法對輪椅使用者的狀態進行分析，以GPS跟蹤輪椅位置，以智能手機實現中心節點數據與網絡云平臺的上傳。將系統硬件部分安裝在電動輪椅上，實現項目功能。

本項目創新點之一是以多傳感器信息融合判斷使用者基本狀態。創新點之二是利用智能手機實現監測數據上傳網絡平臺。

本項目可以較好的對輪椅使用者的狀態進行遠程的監控，具有安全監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控的兩個最大難題。具有相當大的實用性。且成本較低，推廣性較強。