智能行走辅助车控制系统的设计

孙文成，唐荣，杨仁强，李长丽

（重庆电子工程职业学院智慧健康学院，重庆，401331）

0 引言

本文提出一种智能行走辅助车的控制系统设计。目前市场上的行走辅助车大多功能繁多，按键控制结构复杂。对于大多数老人很难上手使用。需要一定的时间才能熟练的控制[1]。对于市场上已有智能行走辅助车设计的缺陷，根据定位技术、计算机通信技术和单片机等技术，提出一种新型的智能行走辅助车的控制设计方案，其中包含语音控制，心率健康检测，GPS定位，摔倒检测，语音控制等模块。本文分析该控制系统基于一款智能行走辅助车，主要依据微型计算机工作原理，并运用通讯技术[2]、语音识别、GPS定位等技术进行设计。实现对小车的控制。实现良好的交互控制。[3][4]

1 系统功能设计

该智能行走辅助小车以STM32单片机为核心。使用低成本，高精度、模块化设计。同时在小车上加入了语音模块、GPS定位模块、GMS通信模块、心率传感器等智能控制传感模块。如图1所示。

图1 系统设计示意图

小车由两个扶手装置：一个可进行高度调节（Z轴），一个固定在小车上（X轴）。可调节的扶手通过两个电机控制扶手的升降高度，当要调节扶手的高度时，给语音模块说输入命令，语音模块处理后给单片机返回一个信号同时控制（Z轴）电机开始转动。当语音模块收到停止命令后。电机停止转动，并锁死卡紧扶手。能够给老人最舒服稳固的搀扶角度。在扶手上有一个心率检测模块。它能将老人的心率信息进行实时检测并传给单片机显示在小车的显示器上。单片机对心率进行分析。检测老人现在身体状态是否健康。若检测出老人脉搏血氧异常状况，通过扬声器提醒老人并注意。在辅助车行走的时候老人可以通过语音对小车的速度进行控制调节。速度共4档：0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s、0.4m/s老人只要出几档就会相应的调速到几档。如果在中途老人不小心倒下，老人可以按小车上的急救按钮，家人就能够第一时间发现并定位到地方。同时在小车上检测到的其他任何信息都能通过网络发送到家人的手机，家人可以随时监控老人的状态。如老人每天的心率变化，一天下来的行走的路程等。老人常常出门在外有时候需要按时吃药，维持身体状况，本文设计了一个定时弹药装置，监护人或老人将药物放入药品盒中同时设定一定的时间。在特定的时间就会自动弹出药物并提醒老人吃药。

2 硬件电路的设计

2.1 主控芯片的设计

主控芯片采用stm32单片机。它是一款基于ARM Corte x-M内核STM32系列的32位的微控制器。拥有高性能、低电压、创新的内核以及外设等特性。112个I/O口，其中包括2个IIC接口，5个串口，3个SPI口等共计112个I/O口。它的存储器容量64KB，有2个DMA控制器，支持定时器、ADC、USB等多种外设。为小车的控制提供强有力的保障。

2.2 语音模块

系统采用M08B模块，该模块采用LD3320语音芯片。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，其中还包括AD/DA的转换器，麦克风接口和声音输出接口。拥有高准确度和实用的语音识别效果。M08B模块支持串口通讯，识别结果由串口输出，输出类型支持十六进制码、字符串、汉字编码、长度可自定义。同时板载有5组I/O口支持高低电平和点动三种方式输出。该模块有四种模式：循环检测模式、按钮模式、语音唤醒模式和串口模式。

2.3 血氧心率检测模块

MAX30102是一个将脉搏血检测和心率血氧仪融为一体的传感器模块，该模块集成了一个600nm的红光、一个800nm红外光LED、一个光检器和带环境光抑制的低噪声电子电路。只需要将手指头贴在传感器上，就能估计脉搏血氧饱和度(SpO2)及脉搏(相当于心跳)。携带氧气的红血球能吸收较多红外光(850-1000nm)，由于未携带氧气的红血球则是吸收较多的红光(600-750nm)。它利用不同红血球之吸收光谱的原理，来分析血氧饱和度。同时该模块具有标准的IIC兼容的通信接口可以将采集到的数据传输给Arduion、stm32等单片机进行处理。原理图如图3所示。

图2 MAX30102芯片原理图

2.4 摔倒检测模块

该模块采用MPU_9250九轴陀螺仪。该芯片集成有3轴陀螺仪、3轴加速度计和3轴磁力计输出都为16位的数字量。该模块同时还支持IIC接口，可以方便将检测到的数据直接传入到主控芯片进行处理。该芯片具有良好的动态响应特性，最大测量范围为±16G。能够快速准确的获得小车的时实动态数据。原理图如图3所示。

图3 MPU_9250芯片原理图

2.5 显示模块

采用4.3寸电容触摸液晶屏，屏幕分辨率为800*460，16位真色彩高清。采用电容触摸屏、同时支持五点触控。接口简单控制显示屏采用16位8080并口触摸屏采用IIC接口，能够减少I/O口的占用。不需要高压3.3V就可正常工作。

2.6 GPS模块

采用GT_U12模块，该模块是一款高新能的定位模组，支持北斗在内的绝大多数民用导航卫星系统。能够同时接收L1～L5双频多模信号，支持IIC接口。同时具有较高的灵敏度，功耗底，体积小等优点。具有较高的追踪精度。在一些狭小的地方或茂盛的树林里能够实现精确的定位。能够时刻定位老人所在的准确位置[5]。

2.7 GMS模块

本产品采用SIM800C，其主要特点有工作性能稳定，外形较小适合放在小车上，性价比高，只需插sim卡就能够使正常使用。支持一路串口的全功能串口，可以通过串口AT命令和数据。SIM800C工作频率有四频、分别是是GSM/GPRS 850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz。使小车实时连接到网络中。整体模块连接如图4所示。

图4 模块连接图

3 智能行走辅助车控制流程设计

3.1 控制流程

本智能行走辅助车软件控制如下：当系统启动后显示屏开启，上面可以显示老人的基本信息和身体状况，老人可通过语音命令对小车进行基本的控制，如扶手的高度、小车助力的速度、弹药的时间等设置。在行走过程中若陀螺仪检测到小车才产生剧烈位置偏差或和扶手上检测不到老人的双手，就会触发报警器，若这个状态持续30s就会触发GSM模块直接给家人发送求救信息。若老人遇到危险紧急情况，可以直接按下求救按钮。程序流程图如图5所示。

图5 程序流程图

3.2 心率血氧数据分析

在完成整体的设计后，对心率血氧进行采集与分析。为测试血氧检测系统的准确性，将设计完成的血氧检测模块和市面上鱼跃指式血氧仪进行测试对比。为检测准确性，测试者共5名，对每位测试者进行两个系统分别三次测量取平均值。

测试结果显示，该系统血氧检测数据与市面上血氧仪检测的血氧误差在±2.5%，心率误差在±2.3BPM。所以该系统的血氧检测较为准确，有一定的参考价值。同时验证了其他功能模块的效果和正确性。

4 总结

本文设计了一种智能行走辅助车的控制方案，智能行走辅助车能够通过语音对小车实现控制，能够大大降低老人使用者的学习使用成本，操作简单，易于上手同时该控制系统能通过陀螺仪，心率传感器、GPS定位、GMS通讯等先进电子模块给老人的安全带来保障。