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一、研究背景

随着现代科学技术的发展和社会物质文化的提升，大众人民的生活质量和居家美满度也处于不断上升的趋势。但是因为各种交通安全事故的发生、突发意外、疾病的困扰和人口老龄化，每年均有成千上万的人因此丧失一种或多种能力（比如行走等），所以残障人士也急需运用相应的科学技术来提高他们的生活质量和满意度。因此，有许多科研开发人员对残障人士所面临的种种窘境进行了不少了研究工作，如电动轮椅的机械改造、便携坐便器、轮椅车的人性化设计、多功能轮椅结构设计等。《中国人口老龄化发展趋势预测研究报告》显示，在未来的50年内中国人口老龄化的现象和压力将愈演愈烈。在《第二次全国残疾人抽样调查报告》中，全国各类残疾人占全国人口超过5%。经调查发现，我国已有接近2800万老年人产生了腿脚不便的问题，并且所占的比例正在逐年增加，也因此对轮椅的需求日渐强烈。当先的研究取得了一定的成果，但这智能轮椅都只是处于试验研究与设计阶段，并没有量产，尚未大量投入市场；再加上投入成本非常高，完备的成品车价格昂贵，一般的普通家庭难以负担起高昂的费用，因此，大多残障人士只能选择手动轮椅或者电动轮椅来满足日常出行，但轮椅车功能简单、单一和缺乏人性化。在用户需求调研中，调查结果显示大部分残障人士对于市场上现有轮椅的功能不满意。绝大部分的用户热衷于使用智能轮椅，而倾向于使用电动轮椅或者手推式普通轮椅的用户只在少数。这意味着智能轮椅的发展和改进空间十分广阔。因此，该项目拟设计一套低成本、操作简单的嵌入助残家庭语音控制系统的智能轮椅具有重大意义。智能轮椅作为残障人士的代步工具，不但方便快捷，其智能化的设计在未来市场上的需求是非常大的。

二、嵌入式系统总设计框架

本智能轮椅车系统以新兴的物联网技术为支撑，运用了物联网技术体系框架。其中物理感知层分为数据参数采集与处理；网络层是底层参数采集和顶层应用的链接，包括传输数据通道的建立和信息交互；公共云技术平台、web网页端和手机APP端等组成应用层，也成为上位机服务。基于人机交互的智能轮椅车的系统功能主要由：人机语音交互、线上系统位置显示、室内环境参数采集、人体体征采集、云端存储、用户端6部分构成。人机语音交互:用户能够通过连接到系统的麦克风进行语音输入，经过语音芯片处理后与主控板通信并通知执行机构执行相应的动作；线上系统位置显示:系统上电运作时，轮椅机器人所处的地理位置信息会在手机和电脑的网页端上位机实时显示，并在轮椅机器人的移动的过程中形成路径；室内环境参数采集:系统将会实时监测残障人士的所居住的空间环境状况；人体体征参数采集:采集残障人士的体征参数，使得人体身体健康状况得到监护；云端存储:用于储存室内环境和人体体征数据，监控数据；用户端:把系统采集到的数据进行可视化，以更加直观的方式展示给监护人员或医护人员。

三、系统硬件设计

3.1系统总硬件设计

本智能轮椅车系统硬件中包括室内感知传感器阵列、电动轮椅机器人、数据传输WiFi等硬件组成。本系统硬件部分由树莓派、单片机、语音芯片、各种传感器、摄像头等几部分构成。控制单元（主控）通过SPI、单总线、USART、IIC等通信协议连接外部的传感器，实现系统数据采集、数据传递、动作执行等功能。

3.2电动轮椅机器人的硬件设计

基于普通电动轮椅的基础上，对轮椅做出了优化改进，嵌入了助残家庭语音控制系统软件。核心控制模块是整个系统的核心部件，承担着驱动传感器、接收数据信息、处理信息的中央任务。考虑到成本和技术要求，本系统采用基于32位ARMCortex-M3内核的、为嵌入式应用专门设计的STM32F103RC高性能单片机作为核心控制。其高性能、低成本、低功耗等特点，实现单周期乘法和硬件除法，满足了本系统的基本功能需求；

采用语音识别芯片，实现语音信号的采集、处理和识别，芯片内部集成语音输入、语音输出电路和双串口等外设。便于与主控进行数据传输通信，体积小巧，性能优异。增加了放大电路，有利于无源陶瓷天线快速搜星，确保智能轮椅车的精准定位。GPS模块采用NMEA-0183协议，使用ASCII码来传递GPS定位信息，需要单片机把从串口接收的数据解码才能得到GPS定位的具体经纬度地理信息。

四、系统软件设计

4.1系统软件工作运转和功能实现

系统开始启动后，当用户向麦克风说出唤醒词，语音模块发出声响以示响应用户操作，用户再次语音输入关键词，语音模块进行语音识别，并把识别到的结果与主控通信，主控接收到数据后，执行机构相应的动作，控制音乐点播和控制车灯的开关；系统上电时，主控初始化芯片内部资源，包括系统时钟、定时器和中断优先级等。同时运行底层时序来驱动各个外设模块处于就绪态。WiFi模块连接热点后充当客户端，通过TCP/IP协议与云平台服务器建立通道，并且与主控之间同步通信，把传感器的采集到的参数上传至云平台存储，并且每2秒定时刷新上传数据点。当残障人士在家使用智能轮椅车的时候，检测到的室内数据才会上传，否则停止上传，居家状态是通过行程开关来作为表征。轮椅使用者可以通过按键简单的操作就能测量自身的体征数据；在轮椅车的后两侧安装了两个超声波传感器，用于检测轮椅车后方的障碍物，双超声波大大提高的检测障碍物的准确性。检测后方有超声波后，系统会发出语音警报，提示轮椅使用者及时避障；在智能轮椅上也配置安全防范措施，轮椅扶手侧边安装了一个紧急求按钮。轮椅使用者出现紧急情况的时候按下求救按钮，系统将直接拨号监护人的手机号，使得紧急事件得到第一时间的处理。树莓派上电工作，软件控制打开相机把采集阶段封包好的内容传输到云平台服务器，对轮椅使用者的状态随时拍摄，有利于家属及时的发现使用者异常情况，避免严重不良事件的发生。

4.2基于移动设备的手机软件端

手机软件端主要由登录注册部分、地图定位部分、数据展示查询部分和远程控制四部分组成。监护人下载本APP后进行登录注册，对监护人的信息核对正确后即可对整个助残家庭语音控制系统有效的控制和残障人士的相关数据的监护；在地图定位部分通过利用地图API提供的接口对地图进行操作，做到对轮椅车实时的位置进行实时监视。地图当中的绿点表示当前轮椅使用者的当前位置，当轮椅在行进的过程中会形成路径来展示使用者所走过的路径，同时地图界面上显示居家状态（红灯指示在室外，绿灯指示在室内），方便监护人员对轮椅使用者的跟踪；在APP中实现了室内数据和人体体征数据的可视化和历史数据的存储，能及时地发现生命体征身体指标和室内环境等参数的异常变化情况。预防残障人士因突发情况而危及生命健康。APP中还完成查询室外天气功能、穿衣指数的提示、室内外温度对比和远程控制等功能。