智能行走輔助車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

孫文成，唐榮，楊仁強(qiáng)，李長麗

（重慶電子工程職業(yè)學(xué)院智慧健康學(xué)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(tǒng)設(shè)計(jì)。目前市場(chǎng)上的行走輔助車大多功能繁多，按鍵控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜。對(duì)于大多數(shù)老人很難上手使用。需要一定的時(shí)間才能熟練的控制[1]。對(duì)于市場(chǎng)上已有智能行走輔助車設(shè)計(jì)的缺陷，根據(jù)定位技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和單片機(jī)等技術(shù)，提出一種新型的智能行走輔助車的控制設(shè)計(jì)方案，其中包含語音控制，心率健康檢測(cè)，GPS定位，摔倒檢測(cè)，語音控制等模塊。本文分析該控制系統(tǒng)基于一款智能行走輔助車，主要依據(jù)微型計(jì)算機(jī)工作原理，并運(yùn)用通訊技術(shù)[2]、語音識(shí)別、GPS定位等技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的控制。實(shí)現(xiàn)良好的交互控制。[3][4]

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該智能行走輔助小車以STM32單片機(jī)為核心。使用低成本，高精度、模塊化設(shè)計(jì)。同時(shí)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(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

小車由兩個(gè)扶手裝置：一個(gè)可進(jìn)行高度調(diào)節(jié)（Z軸），一個(gè)固定在小車上（X軸）?？烧{(diào)節(jié)的扶手通過兩個(gè)電機(jī)控制扶手的升降高度，當(dāng)要調(diào)節(jié)扶手的高度時(shí)，給語音模塊說輸入命令，語音模塊處理后給單片機(jī)返回一個(gè)信號(hào)同時(shí)控制（Z軸）電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)語音模塊收到停止命令后。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并鎖死卡緊扶手。能夠給老人最舒服穩(wěn)固的攙扶角度。在扶手上有一個(gè)心率檢測(cè)模塊。它能將老人的心率信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并傳給單片機(jī)顯示在小車的顯示器上。單片機(jī)對(duì)心率進(jìn)行分析。檢測(cè)老人現(xiàn)在身體狀態(tài)是否健康。若檢測(cè)出老人脈搏血氧異常狀況，通過揚(yáng)聲器提醒老人并注意。在輔助車行走的時(shí)候老人可以通過語音對(duì)小車的速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。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(huì)相應(yīng)的調(diào)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(shí)間發(fā)現(xiàn)并定位到地方。同時(shí)在小車上檢測(cè)到的其他任何信息都能通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到家人的手機(jī)，家人可以隨時(shí)監(jiān)控老人的狀態(tài)。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(shí)候需要按時(shí)吃藥，維持身體狀況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)定時(shí)彈藥裝置，監(jiān)護(hù)人或老人將藥物放入藥品盒中同時(shí)設(shè)定一定的時(shí)間。在特定的時(shí)間就會(huì)自動(dòng)彈出藥物并提醒老人吃藥。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的設(shè)計(jì)

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

2.2 語音模塊

系統(tǒng)采用M08B模塊，該模塊采用LD3320語音芯片。該芯片集成了語音識(shí)別處理器和一些外部電路，其中還包括AD/DA的轉(zhuǎn)換器，麥克風(fēng)接口和聲音輸出接口。擁有高準(zhǔn)確度和實(shí)用的語音識(shí)別效果。M08B模塊支持串口通訊，識(shí)別結(jié)果由串口輸出，輸出類型支持十六進(jìn)制碼、字符串、漢字編碼、長度可自定義。同時(shí)板載有5組I/O口支持高低電平和點(diǎn)動(dòng)三種方式輸出。該模塊有四種模式：循環(huán)檢測(cè)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(cè)模塊

MAX30102是一個(gè)將脈搏血檢測(cè)和心率血氧儀融為一體的傳感器模塊，該模塊集成了一個(gè)600nm的紅光、一個(gè)800nm紅外光LED、一個(gè)光檢器和帶環(huán)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(jì)脈搏血氧飽和度(SpO2)及脈搏(相當(dāng)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(shí)該模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的IIC兼容的通信接口可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給Arduion、stm32等單片機(jī)進(jìn)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(cè)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(jì)和3軸磁力計(jì)輸出都為16位的數(shù)字量。該模塊同時(shí)還支持IIC接口，可以方便將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)直接傳入到主控芯片進(jìn)行處理。該芯片具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，最大測(cè)量范圍為±16G。能夠快速準(zhǔn)確的獲得小車的時(shí)實(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。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(shí)支持五點(diǎn)觸控。接口簡(jiǎn)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(nèi)的絕大多數(shù)民用導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)。能夠同時(shí)接收L1～L5雙頻多模信號(hào)，支持IIC接口。同時(shí)具有較高的靈敏度，功耗底，體積小等優(yōu)點(diǎn)。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?qū)崿F(xiàn)精確的定位。能夠時(shí)刻定位老人所在的準(zhǔn)確位置[5]。

2.7 GMS模塊

本產(chǎn)品采用SIM800C，其主要特點(diǎn)有工作性能穩(wěn)定，外形較小適合放在小車上，性價(jià)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(shù)據(jù)。SIM800C工作頻率有四頻、分別是是GSM/GPRS 850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz。使小車實(shí)時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)

3.1 控制流程

本智能行走輔助車軟件控制如下：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)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(duì)小車進(jìn)行基本的控制，如扶手的高度、小車助力的速度、彈藥的時(shí)間等設(shè)置。在行走過程中若陀螺儀檢測(cè)到小車才產(chǎn)生劇烈位置偏差或和扶手上檢測(cè)不到老人的雙手，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警器，若這個(gè)狀態(tài)持續(xù)30s就會(huì)觸發(fā)GSM模塊直接給家人發(fā)送求救信息。若老人遇到危險(xiǎn)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(shù)據(jù)分析

在完成整體的設(shè)計(jì)后，對(duì)心率血氧進(jìn)行采集與分析。為測(cè)試血氧檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，將設(shè)計(jì)完成的血氧檢測(cè)模塊和市面上魚躍指式血氧儀進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。為檢測(cè)準(zhǔn)確性，測(cè)試者共5名，對(duì)每位測(cè)試者進(jìn)行兩個(gè)系統(tǒng)分別三次測(cè)量取平均值。

測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)血氧檢測(cè)數(shù)據(jù)與市面上血氧儀檢測(cè)的血氧誤差在±2.5%，心率誤差在±2.3BPM。所以該系統(tǒng)的血氧檢測(cè)較為準(zhǔn)確，有一定的參考價(jià)值。同時(shí)驗(yàn)證了其他功能模塊的效果和正確性。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)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(duì)小車實(shí)現(xiàn)控制，能夠大大降低老人使用者的學(xué)習(xí)使用成本，操作簡(jiǎn)單，易于上手同時(shí)該控制系統(tǒng)能通過陀螺儀，心率傳感器、GPS定位、GMS通訊等先進(jìn)電子模塊給老人的安全帶來保障。