智能行走輔助車控制系統的設計

孫文成，唐榮，楊仁強，李長麗

（重慶電子工程職業學院智慧健康學院，重慶，401331）

0 引言

本文提出一種智能行走輔助車的控制系統設計。目前市場上的行走輔助車大多功能繁多，按鍵控制結構復雜。對于大多數老人很難上手使用。需要一定的時間才能熟練的控制[1]。對于市場上已有智能行走輔助車設計的缺陷，根據定位技術、計算機通信技術和單片機等技術，提出一種新型的智能行走輔助車的控制設計方案，其中包含語音控制，心率健康檢測，GPS定位，摔倒檢測，語音控制等模塊。本文分析該控制系統基于一款智能行走輔助車，主要依據微型計算機工作原理，并運用通訊技術[2]、語音識別、GPS定位等技術進行設計。實現對小車的控制。實現良好的交互控制。[3][4]

1 系統功能設計

該智能行走輔助小車以STM32單片機為核心。使用低成本，高精度、模塊化設計。同時在小車上加入了語音模塊、GPS定位模塊、GMS通信模塊、心率傳感器等智能控制傳感模塊。如圖1所示。

圖1 系統設計示意圖

小車由兩個扶手裝置：一個可進行高度調節（Z軸），一個固定在小車上（X軸）。可調節的扶手通過兩個電機控制扶手的升降高度，當要調節扶手的高度時，給語音模塊說輸入命令，語音模塊處理后給單片機返回一個信號同時控制（Z軸）電機開始轉動。當語音模塊收到停止命令后。電機停止轉動，并鎖死卡緊扶手。能夠給老人最舒服穩固的攙扶角度。在扶手上有一個心率檢測模塊。它能將老人的心率信息進行實時檢測并傳給單片機顯示在小車的顯示器上。單片機對心率進行分析。檢測老人現在身體狀態是否健康。若檢測出老人脈搏血氧異常狀況，通過揚聲器提醒老人并注意。在輔助車行走的時候老人可以通過語音對小車的速度進行控制調節。速度共4檔：0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s老人只要出幾檔就會相應的調速到幾檔。如果在中途老人不小心倒下，老人可以按小車上的急救按鈕，家人就能夠第一時間發現并定位到地方。同時在小車上檢測到的其他任何信息都能通過網絡發送到家人的手機，家人可以隨時監控老人的狀態。如老人每天的心率變化，一天下來的行走的路程等。老人常常出門在外有時候需要按時吃藥，維持身體狀況，本文設計了一個定時彈藥裝置，監護人或老人將藥物放入藥品盒中同時設定一定的時間。在特定的時間就會自動彈出藥物并提醒老人吃藥。

2 硬件電路的設計

2.1 主控芯片的設計

主控芯片采用stm32單片機。它是一款基于ARM Corte x-M內核STM32系列的32位的微控制器。擁有高性能、低電壓、創新的內核以及外設等特性。112個I/O口，其中包括2個IIC接口，5個串口，3個SPI口等共計112個I/O口。它的存儲器容量64KB，有2個DMA控制器，支持定時器、ADC、USB等多種外設。為小車的控制提供強有力的保障。

2.2 語音模塊

系統采用M08B模塊，該模塊采用LD3320語音芯片。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，其中還包括AD/DA的轉換器，麥克風接口和聲音輸出接口。擁有高準確度和實用的語音識別效果。M08B模塊支持串口通訊，識別結果由串口輸出，輸出類型支持十六進制碼、字符串、漢字編碼、長度可自定義。同時板載有5組I/O口支持高低電平和點動三種方式輸出。該模塊有四種模式：循環檢測模式、按鈕模式、語音喚醒模式和串口模式。

2.3 血氧心率檢測模塊

MAX30102是一個將脈搏血檢測和心率血氧儀融為一體的傳感器模塊，該模塊集成了一個600nm的紅光、一個800nm紅外光LED、一個光檢器和帶環境光抑制的低噪聲電子電路。只需要將手指頭貼在傳感器上，就能估計脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當于心跳)。攜帶氧氣的紅血球能吸收較多紅外光(850-1000nm)，由于未攜帶氧氣的紅血球則是吸收較多的紅光(600-750nm)。它利用不同紅血球之吸收光譜的原理，來分析血氧飽和度。同時該模塊具有標準的IIC兼容的通信接口可以將采集到的數據傳輸給Arduion、stm32等單片機進行處理。原理圖如圖3所示。

圖2 MAX30102芯片原理圖

2.4 摔倒檢測模塊

該模塊采用MPU_9250九軸陀螺儀。該芯片集成有3軸陀螺儀、3軸加速度計和3軸磁力計輸出都為16位的數字量。該模塊同時還支持IIC接口，可以方便將檢測到的數據直接傳入到主控芯片進行處理。該芯片具有良好的動態響應特性，最大測量范圍為±16G。能夠快速準確的獲得小車的時實動態數據。原理圖如圖3所示。

圖3 MPU_9250芯片原理圖

2.5 顯示模塊

采用4.3寸電容觸摸液晶屏，屏幕分辨率為800*460，16位真色彩高清。采用電容觸摸屏、同時支持五點觸控。接口簡單控制顯示屏采用16位8080并口觸摸屏采用IIC接口，能夠減少I/O口的占用。不需要高壓3.3V就可正常工作。

2.6 GPS模塊

采用GT_U12模塊，該模塊是一款高新能的定位模組，支持北斗在內的絕大多數民用導航衛星系統。能夠同時接收L1～L5雙頻多模信號，支持IIC接口。同時具有較高的靈敏度，功耗底，體積小等優點。具有較高的追蹤精度。在一些狹小的地方或茂盛的樹林里能夠實現精確的定位。能夠時刻定位老人所在的準確位置[5]。

2.7 GMS模塊

本產品采用SIM800C，其主要特點有工作性能穩定，外形較小適合放在小車上，性價比高，只需插sim卡就能夠使正常使用。支持一路串口的全功能串口，可以通過串口AT命令和數據。SIM800C工作頻率有四頻、分別是是GSM/GPRS 850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz。使小車實時連接到網絡中。整體模塊連接如圖4所示。

圖4 模塊連接圖

3 智能行走輔助車控制流程設計

3.1 控制流程

本智能行走輔助車軟件控制如下：當系統啟動后顯示屏開啟，上面可以顯示老人的基本信息和身體狀況，老人可通過語音命令對小車進行基本的控制，如扶手的高度、小車助力的速度、彈藥的時間等設置。在行走過程中若陀螺儀檢測到小車才產生劇烈位置偏差或和扶手上檢測不到老人的雙手，就會觸發報警器，若這個狀態持續30s就會觸發GSM模塊直接給家人發送求救信息。若老人遇到危險緊急情況，可以直接按下求救按鈕。程序流程圖如圖5所示。

圖5 程序流程圖

3.2 心率血氧數據分析

在完成整體的設計后，對心率血氧進行采集與分析。為測試血氧檢測系統的準確性，將設計完成的血氧檢測模塊和市面上魚躍指式血氧儀進行測試對比。為檢測準確性，測試者共5名，對每位測試者進行兩個系統分別三次測量取平均值。

測試結果顯示，該系統血氧檢測數據與市面上血氧儀檢測的血氧誤差在±2.5%，心率誤差在±2.3BPM。所以該系統的血氧檢測較為準確，有一定的參考價值。同時驗證了其他功能模塊的效果和正確性。

4 總結

本文設計了一種智能行走輔助車的控制方案，智能行走輔助車能夠通過語音對小車實現控制，能夠大大降低老人使用者的學習使用成本，操作簡單，易于上手同時該控制系統能通過陀螺儀，心率傳感器、GPS定位、GMS通訊等先進電子模塊給老人的安全帶來保障。