服務(wù)殘障群體的一鍵式無(wú)線信息傳輸系統(tǒng)

胡敏 王宇俊 方燦 易民

關(guān)鍵詞： 殘障人群; 無(wú)線信息傳輸; 云平臺(tái); 遠(yuǎn)程控制; 文字信息; 通信設(shè)備

中圖分類號(hào)： TN926?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0058?04

One?click wireless information transmission system for serving disabled people

HU Min， WANG Yujun， FANG Can， YI Min

（School of Computer and Information Science， Southwest University， Chongqing 400700， China）

Abstract： A simple touch?tone wireless communication device integrating functions of simplified character information transmission and remote control is designed to solve the problem that it is inconvenient for disabled people to use modern communication equipment. The device is installed in an appropriate position of a wheelchair， blind crutch or hospital bed. The very simple button operation is adopted to send demand information. Signals enter the Internet by means of the WiFi to achieve transmission of character information and control signals. The character demand information is displayed on the designated receiving terminal， and the feedback information is displayed on the displayer of the key panel in real time. The remote control of the device is realized by means of control signals and cloud platform server. The results of the actual test show that the system is simple in overall operation， and has a good stability and real?time performance.

Keywords： disabled people; wireless information transmission; cloud platform; remote control; character information; communication device

0 ?引 ?言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，特別是WiFi技術(shù)的出現(xiàn)，使近距離的通信方式普遍地應(yīng)用于人們的生活之中。在大部分人都快樂(lè)地享受著最前沿的科技成果的時(shí)候，大家卻忽略了一些沒(méi)有語(yǔ)言能力的老人和一些不能正常使用電子設(shè)備的殘障人士。

在我國(guó)很多的城市里，如辦公樓、圖書(shū)館、學(xué)校等大眾場(chǎng)所，以及咖啡館、酒店等服務(wù)行業(yè)，都有WiFi信號(hào)的廣泛覆蓋[1]。在這些WiFi覆蓋區(qū)，隨身帶著一個(gè)支持WiFi功能的設(shè)備就可以輕松接入Internet。隨著越來(lái)越多的區(qū)域被覆蓋上WiFi網(wǎng)絡(luò)，各大生產(chǎn)制造公司也加快生產(chǎn)各具特色的裝有WiFi功能模塊的手持式終端[2]。而我國(guó)也提出建設(shè)以全城WiFi為基礎(chǔ)的智慧城市，這為使用WiFi的無(wú)線通信設(shè)備提供了極大的便利[3]。

目前市面上流行的傳輸設(shè)備大致分為兩種：一種使用的是有線傳呼器，該方式不便于攜帶，且接收方單一，無(wú)信息處理能力，例如醫(yī)院病床上的傳呼器;另外一種方式是采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線節(jié)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)，這種方式使得設(shè)備的制作成本居高不下[4]。

因此本文設(shè)計(jì)的設(shè)備主要安裝在輪椅、盲人拐杖或病床上合適的位置，采用極為簡(jiǎn)單的按鍵操作發(fā)送需求信息，信號(hào)通過(guò)WiFi進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)文字信息和控制信號(hào)的傳輸。該設(shè)備除購(gòu)買(mǎi)時(shí)的一次性投資外，使用過(guò)程無(wú)需其他任何費(fèi)用，并且可以根據(jù)個(gè)人日常需要設(shè)置文字信息，滿足每個(gè)使用者的個(gè)性需求。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

針對(duì)目前通信設(shè)備廣泛使用的現(xiàn)狀，為提高老年人和殘疾人的生活質(zhì)量，保證社會(huì)的和諧穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單，廉價(jià)且實(shí)用的數(shù)據(jù)信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)。本系統(tǒng)由硬件和服務(wù)器兩部分組成，硬件部分采用FPGA作為主控芯片，通過(guò)WiFi連接到服務(wù)器后端傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器后端將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)器前端讀取顯示，同樣的服務(wù)器前端也可以將回復(fù)的信息先發(fā)送給后端存入數(shù)據(jù)庫(kù)，后端再返回給硬件。其總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)除FPGA主控模塊之外，還包括WiFi模塊、顯示模塊、按鍵模塊、數(shù)據(jù)處理模塊。根據(jù)硬件的驅(qū)動(dòng)要求使用Quartus Ⅱ編寫(xiě)硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。程序完成后連接好各硬件模塊，將程序下載到FPGA芯片上，運(yùn)行硬件設(shè)備，測(cè)試能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示。

1.1.1 ?主控模塊

本設(shè)計(jì)采用Storm開(kāi)發(fā)板對(duì)主控模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，用到開(kāi)發(fā)板的FPGA，KEY，LED及時(shí)鐘晶振等硬件資源[5?7]。

1.1.2 ?WiFi模塊

本設(shè)計(jì)中信息通過(guò)WiFi進(jìn)行收發(fā)，WiFi功能選用安信可公司設(shè)計(jì)的ESP8266?01模塊實(shí)現(xiàn)。模塊Pin腳定義如表1 所示。

1.1.3 ?顯示模塊

本設(shè)計(jì)中信息通過(guò)LCD顯示屏進(jìn)行顯示，LCD顯示屏選用LCD0602?A液晶屏模塊實(shí)現(xiàn)。

1.1.4 ?數(shù)據(jù)處理模塊

本模塊是整個(gè)硬件系統(tǒng)的核心模塊，承擔(dān)了全部的數(shù)據(jù)信息的處理和模塊控制功能。

本模塊的核心問(wèn)題是WiFi模塊的數(shù)據(jù)處理和控制。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)自動(dòng)初始化模塊，即初始化寄存器。在系統(tǒng)時(shí)鐘的作用下，先向WiFi模塊發(fā)送AT+CWJAP？指令，檢查是否連接上WiFi，如果沒(méi)有連接上WiFi，則向WiFi模塊發(fā)送AT+CWJAP指令，讓W(xué)iFi模塊連接指定WiFi，如果還是沒(méi)有連接成功，則繼續(xù)等待重新連接，如果連接WiFi成功則等待發(fā)送信息按鍵的操作，如果按下了發(fā)送信息的按鍵，則向WiFi模塊發(fā)送AT+CIPSTART指令連接服務(wù)器，當(dāng)連接服務(wù)器成功后，向WiFi模塊發(fā)送AT+CIPSTART指令設(shè)置發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，并發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)，為了確保數(shù)據(jù)成功發(fā)送。除非已接收到確認(rèn)信息或已按下停止按鍵需等待下一次信息按鍵的操作之外，一直反復(fù)連接服務(wù)器并發(fā)送數(shù)據(jù)。

為了更加清晰地梳理模塊工作過(guò)程，指令發(fā)送情況如表2所示，工作流程如圖3所示。

1.2 ?云服務(wù)器的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)服務(wù)器采用騰訊云服務(wù)器，服務(wù)器操作系統(tǒng)為Microsoft（微軟）公司的Windows Server，開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境為Apache+PHP+MySQL，使用Notepad++開(kāi)發(fā)工具[8?10]，利用PHP編寫(xiě)服務(wù)器后臺(tái)程序，利用HTML編寫(xiě)服務(wù)器前臺(tái)界面。設(shè)計(jì)完成后掛載在服務(wù)器上，聯(lián)合硬件設(shè)備測(cè)試是否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

2 ?軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用騰訊云服務(wù)器，系統(tǒng)為Windows Server 2012 R2，運(yùn)行環(huán)境為Apache + PHP 7.0.12+MySQL 5.5.53。服務(wù)器按照前后端的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中前端負(fù)責(zé)顯示，后端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互處理。

2.1 ?前端設(shè)計(jì)

秉承簡(jiǎn)潔、清晰、易用的原則，Web前端界面借助Bootstrap框架設(shè)計(jì)布局，通過(guò)Ajax方式從后端獲取數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)刷新。前端顯示器如圖4所示。

2.2 ?服務(wù)器后臺(tái)設(shè)計(jì)

后端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的交互工作，如與前端的交互、與硬件的交互、與數(shù)據(jù)庫(kù)的交互。后端與硬件的通信采用Socket方式UDP協(xié)議通過(guò)Internet傳輸，前端的數(shù)據(jù)采用表單的形式通過(guò)POST方式提交給后端，前端通過(guò)Ajax方式獲取后端的數(shù)據(jù)。由于信息都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，所以數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)尤為重要，按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求將數(shù)據(jù)庫(kù)分為五個(gè)字段，分別為設(shè)備編號(hào)，硬件發(fā)送的信息內(nèi)容和時(shí)間，Web回復(fù)的內(nèi)容和時(shí)間。數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表信息如表3所示。

啟動(dòng)服務(wù)器服務(wù)后，后端等待硬件傳輸數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)時(shí)，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，查看是否已回復(fù)當(dāng)前信息，如已回復(fù)，則硬件端回復(fù)“Ok”，沒(méi)有回復(fù)，則回復(fù)“No”。同時(shí)等待前端發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)Web端發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，并將硬件端發(fā)送的數(shù)據(jù)和時(shí)間等信息返回給Web端，并顯示出來(lái)。服務(wù)器全天候保持工作狀態(tài)，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)傳輸顯示。其工作流程如圖5所示。

3 ?系統(tǒng)測(cè)試

3.1 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本設(shè)計(jì)是根據(jù)經(jīng)濟(jì)決策方案設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單、廉價(jià)的系統(tǒng)。將設(shè)備安裝在輪椅或病床上合適的位置，采用極為簡(jiǎn)單的按鍵操作即可發(fā)送信息，并得到回復(fù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠完成預(yù)期的目的，其實(shí)物圖見(jiàn)圖6。

3.2 ?功能測(cè)試

根據(jù)前面的分析，圖7顯示屏上面顯示的是按鍵之后的信息，表示當(dāng)前設(shè)備已經(jīng)發(fā)送給云端服務(wù)器的文字信息，其中R表示接收的信息，T代表的是已發(fā)送的信息，與此同時(shí)，在前端的界面會(huì)顯示收到的信息，如圖8所示。

當(dāng)按下統(tǒng)一回復(fù)之后該信息就會(huì)通過(guò)WiFi傳輸?shù)皆O(shè)備當(dāng)中，此時(shí)使用該設(shè)備的人員將會(huì)知道信息已回復(fù)，如圖9，圖10所示。

同時(shí)為了使得該設(shè)備更加具有實(shí)用性和可操作性，在前端界面，該系統(tǒng)可接收多條不同的信息，并可統(tǒng)一回復(fù)或單個(gè)回復(fù)，如圖11所示。

4 ?結(jié) ?語(yǔ)

本系統(tǒng)的硬件端安裝在輪椅、盲人拐杖或病床上合適的位置，采用簡(jiǎn)潔有效的按鍵操作發(fā)送需求信息。當(dāng)老年人和殘疾人需要特定服務(wù)時(shí)，通過(guò)按鍵操作與WiFi實(shí)時(shí)傳輸信息到遠(yuǎn)程服務(wù)器，管理人員可通過(guò)Web界面實(shí)時(shí)查看相應(yīng)信息，并及時(shí)處理解決相應(yīng)問(wèn)題。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要在于其能夠根據(jù)個(gè)人日常需要設(shè)置文字信息，滿足每個(gè)使用者的個(gè)性需求，并且整套設(shè)備的使用操作簡(jiǎn)單、功耗低，信息傳輸延時(shí)較低。簡(jiǎn)易裝置完成后，經(jīng)測(cè)試達(dá)到滿意的效果。該系統(tǒng)節(jié)能、方便，性價(jià)比高，易于產(chǎn)品化和市場(chǎng)化。該設(shè)備還可擴(kuò)展智能家居的控制功能，通過(guò)按鍵發(fā)送控制信號(hào)，控制物聯(lián)網(wǎng)中的家電，也可進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，支持微信，APP等查看信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 白云，喻莉，謝長(zhǎng)生，等.一種傳播模型無(wú)關(guān)的快速WiFi訪問(wèn)點(diǎn)定位算法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2013，34（2）：220?223.

BAI Yun， YU Li， XIE Changsheng， et al. A model?independent fast localization algorithm of WiFi access point [J]. Journal of Chinese computer systems， 2013， 34（2）： 220?223.

[2] 張曉軍，劉文遠(yuǎn)，劉永山，等.一種基于語(yǔ)音識(shí)別的室內(nèi)定位方法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2016，37（8）：1883?1888.

ZHANG Xiaojun， LIU Wenyuan， LIU Yongshan， et al. New approach of indoor localization based on speech recognition [J]. Journal of Chinese computer systems， 2016， 37（8）： 1883?1888.

[3] 王沁，孫富明，李磊，等.FPGA設(shè)計(jì)安全性綜述[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2010，31（7）：1333?1337.

WANG Qin， SUN Fuming， LI Lei， et al. Survey of FPGA design security [J]. Journal of Chinese computer systems， 2010， 31（7）： 1333?1337.

[4] 黃茂芹.基于FPGA的實(shí)時(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

HUANG Maoqin. Design of real?time wireless sensor network system based on FPGA [D]. Chengdu： University of Electronic Science and Technology， 2013.

[5] 王博，劉忠富，莊婧昱，等.基于STM32的無(wú)線溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，40（6）：42?46.

WANG Bo， LIU Zhongfu， ZHUANG Jingyu， et al. Design of wireless greenhouse control system based on STM32 [J]. Electronic measurement technology， 2017， 40（6）： 42?46.

[6] 羅娜.基于88W8686的手持終端WiFi功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

LUO Na. Design and implementation of the handheld terminal WiFi function based on 88W8686 [D]. Wuhan： Wuhan University of Technology， 2010.

[7] 楊碩.基于FPGA的智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2014.

YANG Shuo. Research on intelligent monitoring system based on FPGA [D]. Lanzhou： Lanzhou Jiaotong University， 2014.

[8] 邊青.基于PXA320的WiFi手持終端的研究與開(kāi)發(fā)[D].西安：陜西科技大學(xué)，2013.

BIAN Qing. Research and development of WiFi handheld terminal based on PXA320 [D]. Xian： Shaanxi University of Science and Technology， 2013.

[9] 陳章進(jìn)，張建峰，李翰超，等.基于ZigBee技術(shù)的教學(xué)設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015，38（8）：99?103.

CHEN Zhangjin， ZHANG Jianfeng， LI Hanchao， et al. Design of teaching equipment system based on ZigBee [J]. Electronic measurement technology， 2015， 38（8）： 99?103.

[10] 曾磊，張海峰，侯維巖.基于WiFi的無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表，2011，48（7）：81?83.

ZENG Lei， ZHANG Haifeng， HOU Weiyan. Design and implementation of wireless measurement and control system based on WiFi [J]. Electrical measurement & instrumentation， 2011， 48（7）： 81?83.