具备健康与安全行驶远程监控功能的智能轮椅系统

徐志良，张瑞，张伟伟

（安徽新华学院，安徽合肥，230088）

0 引言

随着残疾人、空巢老人出行难的问题日益严重，社会对轮椅的需求日益增长。同时，对轮椅的安全性和功能的要求也越来越高。智能轮椅的研究开发在国外发达国家已广泛开展，特别是近年来，随着传感器、物联网等技术的发展，使智能轮椅在运动控制、功能拓展方面取得了更多提升，相继开发出了多种各具特色的智能轮椅平台。本项目以物联网技术为基础改进传统轮椅功能，通过多种传感器、嵌入式开发板及智能手机相配合，充分发挥物联网在感知、传输、智能和控制四个四个方面的优势，以轮椅为系统中心节点，借助智能手机和通信网络实现对使用者状态的远程监控及数据上传网络平台。不仅可以帮助空巢老人及残疾人群解决出行问题，还能为他们提供一定的安全监控，减轻意外伤害程度。同时市场前景可观，对弱势人群幸福感提升与智慧型和谐社会的建设有利。

1 系统原理

本项目在普通电动轮椅的控制平台上，利用嵌入式、多传感器信息融合、无线传输和物联网技术，设计一种具备用户状态远程实时监控的智能轮椅系统。系统由信息采集模块、数据处理模块、无线收发模块、智能手机四大部分组成，并以轮椅为中心节点，建立起局域网网络，实时将使用者行动及基本健康信息上传云平台，并在出现不正常数据时及时远程报警。

2 研究内容

本项目在普通电动轮椅的控制平台上，利用嵌入式、多传感器信息融合、无线传输和物联网技术，设计一种具备用户状态远程实时监控的智能轮椅系统。该系统通过对轮椅姿态、使用者坐姿和心跳速率的监测和分析，以智能手机为媒介，将使用者的状态实时上传互联网云平台，达到远程监控目的。因此本项目研究的内容有：

①使用者状态监测功能。利用多种传感器，实时采集使用者坐姿、心跳速率与轮椅姿态信息，以嵌入式开发板为系统平台，通过多传感器信息的融合技术，对数据进行分析与处理，判断使用者是否处于不正常坐姿，进而判断是否存在健康或行驶安全问题。

②远程监控功能。以无线传输技术为基础，以智能手机为媒介，开发Android系统下的通信应用程序，将使用者状态实时上传云平台。在轮椅使用者出现不正常坐姿或是轮椅姿态发生不正常变化时，通过云平台向监护人报警，便于及时采取救助措施。

3 系统硬件电路设计

本项目采用嵌入式、模块化设计思路，对系统进行软硬件设计、开发，实现基于对使用者姿态、心跳信息采集和轮椅状态判断、行迹追踪的远程监控及报警功能。系统的硬件结构框图如1所示。系统硬件设计主要分为信息采集模块、数据处理模块、无线收发模块。

图1 硬件结构图

■3.1 信息采集模块设计

信息采集模块利用多种传感器对轮椅及使用者的状态，主要是轮椅姿态、使用者坐姿、心跳速率等，进行监测，并采集数据。

(1)本模块利用了压力传感器来采集使用者的坐姿数据。

在轮椅坐垫及靠背上安装多个压力传感器，构成压力传感器阵。压力传感器阵通过感应坐垫上的压力和靠背上的压力，收集使用者的坐姿数据，并把数据传送给数据处理模块。

(2)本模块采用红外反射式传感器采集使用者的心跳速率。红外反射式传感器通过光敏管接收人体反射回的信号，并将信息传递到信息处理模块，以此作为基本健康安全情况的判断依据。

特定波长红外线对于血管末端血液容积的变化十分敏感，利用此特性可以检测由于心脏跳动而引起血管末端血液中血氧蛋白含量的变化。此信号经放大、滤波等处理后，可以输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，进而计算出脉率。

工作原理：接通5 V电源使红外发射管发光，红外发射管将红外线射向人体，将透过皮肤组织反射回来的光射入接收管。通过检测接收管的电流感知反射平面的反射强度，根据电流强弱，输出不同强度的脉搏波。由于接收管收到的信号较弱，给红外反射式传感器设计一个放大电路，将信号放大。又因收集到的信号可能伴有其他信号，给传感器设计一个滤波电路。

(3)本模块用三轴加速度传感器对于轮椅的姿态进行数据采集。

三轴加速度传感器是基于加速度的基本原理去实现工作的。加速度是个空间矢量，一方面，要准确了解轮椅的运动状态，必须测得其三个坐标轴上的分量。另一方面，在预先不知道轮椅运动方向的场合下，只有应用三轴加速度传感器来检测加速度信号。由于三轴加速度传感器也是基于重力原理的，因此用三轴加速度传感器可以实现双轴正负90度或双轴0–360度的倾角，通过校正后期精度要高于双轴加速度传感器大于测量角度为60度的情况。

三轴加速度传感器采集轮椅的倾斜角度，并将信息传递到信息处理模块，作为信息处理模块判断轮椅是否处于不正常倾斜的依据。

■3.2 数据处理模块

数据处理模块既要对传感器信息进行融合与分析处理，同时还要作为数据传输的中心节点，实现数据向云平台的传送。

数据处理模块选用了嵌入式开发板—树莓派。

以树莓派为代表的微型电脑，它是一款基于ARM的微型电脑主板, 以SD/Micro SD卡为内存硬盘, 可连接键盘、鼠标和网线, 同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口, 只需接通电视机和键盘, 就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。

虽然其设计初衷是普及计算机编程教育，但面世之后，因其具备PC基本功能，且体积小，扩展方便，已成为创客进行改造和创新的有力工具。

加之传感器技术、网络的发展和智能手机的普及，利用智能手机实现更为强大功能的场景在生产和生活中越来广泛。目前智能手机大部分采用的是安卓技术，它是在互联网技术、JAVA技术、数据库技术、计算机科学与技术，电子科学与技术，通信工程等专业基础上融合发展起来的，目前已形成较为成熟一套体系。

本模块采用嵌入式开发板—树莓派为主控单元，构建系统的局域网网络中心节点，一方面，汇集信息采集模块获得的数据进行分析处理，获取轮椅位置，判定使用者是否处在正常坐姿及是否出现轮椅倾翻情况。另一方面，采用无线传输技术将数据包传送给智能手机，再以智能手机为媒介，将使用者状态实时上传互联网云平台来实现远程监控，同时选择是否采取远程报警措施。

■3.3 无线收发模块

轮椅使用者的各项信息通过传感器采集后需向数据处理模块输送，同时经过处理的数据要实时传送至互联网云平台。这些功能需要通过无线收发模块实现。

无线收发模块以无线传输技术为基础，采用GPS模块和蓝牙模块实现数据在信息采集模块和数据处理模块间的传输，并以智能手机为媒介，将采集到的信息上传到互联网健康平台。

采用可以实现一对多通信功能的蓝牙模块HM–11两个。一个设为主机模式，用于汇集各传感器采集的数据，然后传送给数据处理模块。另一个设为从机模式，负责接收经过处理后的数据，并上传至智能手机。

采用GPS–15W实现对于轮椅位置的跟踪。在NMEA–0183协议下，利用数据处理模块对代表全球定位数据的GGA语句进行解析，即可提取经纬度信息。

各模块设计、安装完成后，围绕智能手机在项目中的媒介功能，在Android系统蓝牙协议及HTTP协议下，开发应用程序实现Andriod系统手机通过蓝牙获得开发板输出数据并上传网络监控平台的功能。

4 系统软件部分设计

根据具备健康与安全行驶远程监控功能的智能轮椅系统的运行情况，系统的主程序流程如图2所示。系统的主程序是整个智能轮椅系统软件编写的整体框架，也是系统整个运行程序依据。系统首先完成硬件初始化，然后采集轮椅位置、轮椅状态、坐姿、心率等信息。将信息上传信息处理系统。信息处理系统对采集到的信息进行处理和分析，并将这些信息上传到用户手机和云平台。如果坐垫压力和靠背的压力相匹配，同时轮椅的倾斜角度小于设定值，同时心率在正常范围内，那么程序返回初始化。否则，程序会远程报警。直到接收到停止命令结束。

图2 主程序流程图

5 结论

本项目以树莓派作为主控模块和中心节点，利用安卓系统开发平台，以蓝牙技术建立信息采集模块与中心节点、中心节点与智能手机之间信息的流动联系。以多种传感器感知外部信息，利用树莓派的数据处理功能通过算法对轮椅使用者的状态进行分析，以GPS跟踪轮椅位置，以智能手机实现中心节点数据与网络云平台的上传。将系统硬件部分安装在电动轮椅上，实现项目功能。

本项目创新点之一是以多传感器信息融合判断使用者基本状态。创新点之二是利用智能手机实现监测数据上传网络平台。

本项目可以较好的对轮椅使用者的状态进行远程的监控，具有安全监测和行迹追踪的功能，解决了行动不便的老人及残疾人日常生活中出行与日常安全监控的两个最大难题。具有相当大的实用性。且成本较低，推广性较强。