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摘要：针对老龄化社会需要，设计一种以Arduino开发板为控制器的智能轮椅。主要利用Arduino控制模块、手势控制、心率检测模块、距离检测模块、无线通信模块和GPS定位模块，搭建智能轮椅的硬件电路，通过对单片机的开发以及各模块对比选用、程序调试，实现智能轮椅的功能。试验测试结果表明：该设计能实现手势控制轮椅行进、心率数据检测、轮椅自动避障等等多种功能，具有一定的应用价值。
关键词：Arduino;手势传感器;智能轮椅
Design of intelligent wheelchair system based on gesture sensor
Zhang YuanGuo DongDing XinxinYu ShuanbaoHe Yidong
School of Electronic Information，Nanjing Vocational College of Information TechnologyJiangsuNanjing210046
Abstract：An Intelligent Wheelchair Based on Arduino development board is designed for meeting the needs of aging society.he system mainly includes Arduino control module，gesture control module，heart rate detection module，distance detection module，wireless communication module and GPS positioning module.The test results show that the design can achieve many functions，such as gesture control wheelchair moving，heart rate data detection，wheelchair automatic obstacle avoidance and so on.
Key words：Arduino;Gesture sensor;intelligent wheelchair
随着老龄化社会的来临，提高老年人和残疾人生活质量成为一项重要的。课题，手动轮椅存在了几百年，并已经在医院、商场、家庭中成为协助行动不便的人士的重要工具。目前市面上已有的电动轮椅大部分是通过操纵杆进行交互，使用户轻松省力的使用轮椅，但是一直身体特别虚弱的老人，或是手部无力的残疾人就无法使用操纵杆，给他们的生活带来很大麻烦。
人类活动的识别可以以为用户在各种环境提供交互服务，利用各种感官资源进行识别，最能使用户受益，本项目利用Arduino控制器件和传感器，开发一种成本低廉的、好用的智能轮椅。该智能轮椅有着广泛的市场前景和实际意义。
1 系统总体设计
智能轮椅的总体设计框图如下图所示。主要包含Arduino控制模块、手势控制、心率检测模块、距离检测模块、无线通信模块和GPS定位模块。
该轮椅可以实现通过手势传感器感知使用者的手势，控制轮椅前进、后退、左转、右转、停止，并通过特定手势触发信号报警救援。此外还加入体征监测和距离监测等辅助功能。用户通过心率传感器检测人体主要生命特征，可以随时检测自己的心率，了解自己的身体状况，避免不能及时救治，造成严重后果;通过距离监测功能，可以检测到轮椅前后障碍物的距离并实现自动回避障碍物，此外利用GPS定位共能，可以帮助使用者家人或医护人员可以确定轮椅当前所在位置，便于照顾病患或及时进行轮椅的回收。
2 系统功能电路设计
2.1 Arduino 控制器模块
本系统以Microduino控制器模块为核心，以Atmel ATmega328P，ATmega168PA系列为核心的8位单片机开发核心板，它完全是开源的，使用了U型的27pin Microduino接口规范，拥有众多接口兼容的周边模块和传感器，编程环境好，方便上手，而且能凭借各种不同的传感器来实现对环境的监测，也可以通过控制声音、电机和其他各种装置来影响环境，其可拓展性好[1]。Arduino控制模块是整个设计系统的中枢，主要实现对各类模块的控制和调用。包括分析、综合手势传感器检测不同方向数据信息，控制步进电机，使得轮椅能够根据手势控制前后左右移动。以及通过心率传感器检测人体生物信息，并通过网络发送警告指令，并提供轮椅的当前位置信息。此外还控制传感器进行自动避障等辅助功能。
2.2 手势传感器模块
本系统采用的手势传感器模块采用的ATKPAJ7620_V1.2，是ALIENTEK推出的一款高性能手势识别传感器模块。该模块采用Pixart公司的PAJ7620U2芯片，芯片内部集成了光学数组式传感器，以使复杂的手势和光标模式输出，自带九种手势识别，支持上、下、左、右、前、后、顺时针旋转、逆时针旋转和挥动的手势动作识别，以及支持物体接近检测等功能[2]。在系统中将手势控制模块固定在可松紧调节的护腕上，将护腕佩戴于手腕处，手势控制模块放置在手腕上方，并且通过小型液晶显示器显示当前检测到的手势方向，帮助使用者更精准的控制轮椅的行进。
2.3 心率检测模块
系统的心率检测模块为光学心率传感器，采用光电容积脉搏波描记法来测量心率及其他生物计量指标。其工作原理为通过将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射，该方法非常简单，当血流动力发生变化时，例如血脉搏率（心率）或血容积（心输出量）发生变化时，进入人体的光会发生可预见的散射[3]。心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值。在本系统中将心率检测模块安装在轮椅的扶手表面，用户可通过按键模块来启动心率检测模块检测用户心率，然后将手腕内侧放在心率检测模块表面，通过手腕测量出人体心率特征参数，并且通过安装在轮椅扶手表面的OLED显示模块显示心率检测模块检测到的用户心率等信息。
2.4 超声波避障模块
本系统样机采用超声波传感器，进行距离的检测，其主要工作原理是通过传感器的发射器发出超声波，当遇到障碍物时超声波反射回来，其反射回波信号会被超声波接收器收到[4]，根据收到的反射回波的时间以及超声波在空气中的传播速率进行一定的计算后，根据程序设计控制电机驱动轮椅的4个轮子行进，如果发现障碍物在前方，则停止前进，如果障碍物在左侧，则控制轮子，使得轮椅向右转，反之，如果障碍物在右侧，则控制轮子，使得轮椅向左转。以确保紧急状态下，轮椅可以自动避障，保证使用者的安全。
2.5 其他辅助模块
本系统配备有GPS定位模块，用于及时检测智能轮椅的当前位置信息。配备有低功耗蓝牙模块，用于手势传感器和arduino控制器模块的无线数据传输。配备有无线通信模块，用于及时将数据信息发送给使用者的监护人，便于更好进行照顾。
3 结语
本项目结合开源的arduino控制器件和大量的传感器设计智能轮椅，与普通轮椅相比，功能更完善，使用更方便。本设备不仅实现轮椅移动的手势控制，还附带人体生命检测、自动避障、GPS定位等功能，较好地满足了用户的需求，为用户使用带来便利，且使用传感器模块，成本较低。
参考文献：
[1]张园.基于Arduino控制器的校园智能垃圾桶设计[J].智能城市，2019，（6）：1516.
[2]唐明明，陈波.基于红外光电的手势无人机控制系统设计[J].自动化技术与应用，2019，（9）：113116.
[3]程晨.Arduino开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2012：3851.
[4]張萍.超声波避障智能小车的设计[J].自动化仪表，2017，38（11）：4043.
项目来源：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201913112026Y）
作者简介：张园（1981），女，江苏南京人，硕士，副教授，研究方向：信号处理、应用电子。
关键词：Arduino;手势传感器;智能轮椅
Design of intelligent wheelchair system based on gesture sensor
Zhang YuanGuo DongDing XinxinYu ShuanbaoHe Yidong
School of Electronic Information，Nanjing Vocational College of Information TechnologyJiangsuNanjing210046
Abstract：An Intelligent Wheelchair Based on Arduino development board is designed for meeting the needs of aging society.he system mainly includes Arduino control module，gesture control module，heart rate detection module，distance detection module，wireless communication module and GPS positioning module.The test results show that the design can achieve many functions，such as gesture control wheelchair moving，heart rate data detection，wheelchair automatic obstacle avoidance and so on.
Key words：Arduino;Gesture sensor;intelligent wheelchair
随着老龄化社会的来临，提高老年人和残疾人生活质量成为一项重要的。课题，手动轮椅存在了几百年，并已经在医院、商场、家庭中成为协助行动不便的人士的重要工具。目前市面上已有的电动轮椅大部分是通过操纵杆进行交互，使用户轻松省力的使用轮椅，但是一直身体特别虚弱的老人，或是手部无力的残疾人就无法使用操纵杆，给他们的生活带来很大麻烦。
人类活动的识别可以以为用户在各种环境提供交互服务，利用各种感官资源进行识别，最能使用户受益，本项目利用Arduino控制器件和传感器，开发一种成本低廉的、好用的智能轮椅。该智能轮椅有着广泛的市场前景和实际意义。
1 系统总体设计
智能轮椅的总体设计框图如下图所示。主要包含Arduino控制模块、手势控制、心率检测模块、距离检测模块、无线通信模块和GPS定位模块。
该轮椅可以实现通过手势传感器感知使用者的手势，控制轮椅前进、后退、左转、右转、停止，并通过特定手势触发信号报警救援。此外还加入体征监测和距离监测等辅助功能。用户通过心率传感器检测人体主要生命特征，可以随时检测自己的心率，了解自己的身体状况，避免不能及时救治，造成严重后果;通过距离监测功能，可以检测到轮椅前后障碍物的距离并实现自动回避障碍物，此外利用GPS定位共能，可以帮助使用者家人或医护人员可以确定轮椅当前所在位置，便于照顾病患或及时进行轮椅的回收。
2 系统功能电路设计
2.1 Arduino 控制器模块
本系统以Microduino控制器模块为核心，以Atmel ATmega328P，ATmega168PA系列为核心的8位单片机开发核心板，它完全是开源的，使用了U型的27pin Microduino接口规范，拥有众多接口兼容的周边模块和传感器，编程环境好，方便上手，而且能凭借各种不同的传感器来实现对环境的监测，也可以通过控制声音、电机和其他各种装置来影响环境，其可拓展性好[1]。Arduino控制模块是整个设计系统的中枢，主要实现对各类模块的控制和调用。包括分析、综合手势传感器检测不同方向数据信息，控制步进电机，使得轮椅能够根据手势控制前后左右移动。以及通过心率传感器检测人体生物信息，并通过网络发送警告指令，并提供轮椅的当前位置信息。此外还控制传感器进行自动避障等辅助功能。
2.2 手势传感器模块
本系统采用的手势传感器模块采用的ATKPAJ7620_V1.2，是ALIENTEK推出的一款高性能手势识别传感器模块。该模块采用Pixart公司的PAJ7620U2芯片，芯片内部集成了光学数组式传感器，以使复杂的手势和光标模式输出，自带九种手势识别，支持上、下、左、右、前、后、顺时针旋转、逆时针旋转和挥动的手势动作识别，以及支持物体接近检测等功能[2]。在系统中将手势控制模块固定在可松紧调节的护腕上，将护腕佩戴于手腕处，手势控制模块放置在手腕上方，并且通过小型液晶显示器显示当前检测到的手势方向，帮助使用者更精准的控制轮椅的行进。
2.3 心率检测模块
系统的心率检测模块为光学心率传感器，采用光电容积脉搏波描记法来测量心率及其他生物计量指标。其工作原理为通过将光照进皮肤并测量因血液流动而产生的光散射，该方法非常简单，当血流动力发生变化时，例如血脉搏率（心率）或血容积（心输出量）发生变化时，进入人体的光会发生可预见的散射[3]。心率传感器可生成测量心率的PPG波形并将该心率数据作为基础生物计量值。在本系统中将心率检测模块安装在轮椅的扶手表面，用户可通过按键模块来启动心率检测模块检测用户心率，然后将手腕内侧放在心率检测模块表面，通过手腕测量出人体心率特征参数，并且通过安装在轮椅扶手表面的OLED显示模块显示心率检测模块检测到的用户心率等信息。
2.4 超声波避障模块
本系统样机采用超声波传感器，进行距离的检测，其主要工作原理是通过传感器的发射器发出超声波，当遇到障碍物时超声波反射回来，其反射回波信号会被超声波接收器收到[4]，根据收到的反射回波的时间以及超声波在空气中的传播速率进行一定的计算后，根据程序设计控制电机驱动轮椅的4个轮子行进，如果发现障碍物在前方，则停止前进，如果障碍物在左侧，则控制轮子，使得轮椅向右转，反之，如果障碍物在右侧，则控制轮子，使得轮椅向左转。以确保紧急状态下，轮椅可以自动避障，保证使用者的安全。
2.5 其他辅助模块
本系统配备有GPS定位模块，用于及时检测智能轮椅的当前位置信息。配备有低功耗蓝牙模块，用于手势传感器和arduino控制器模块的无线数据传输。配备有无线通信模块，用于及时将数据信息发送给使用者的监护人，便于更好进行照顾。
3 结语
本项目结合开源的arduino控制器件和大量的传感器设计智能轮椅，与普通轮椅相比，功能更完善，使用更方便。本设备不仅实现轮椅移动的手势控制，还附带人体生命检测、自动避障、GPS定位等功能，较好地满足了用户的需求，为用户使用带来便利，且使用传感器模块，成本较低。
参考文献：
[1]张园.基于Arduino控制器的校园智能垃圾桶设计[J].智能城市，2019，（6）：1516.
[2]唐明明，陈波.基于红外光电的手势无人机控制系统设计[J].自动化技术与应用，2019，（9）：113116.
[3]程晨.Arduino开发实战指南[M].北京：机械工业出版社，2012：3851.
[4]張萍.超声波避障智能小车的设计[J].自动化仪表，2017，38（11）：4043.
项目来源：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201913112026Y）
作者简介：张园（1981），女，江苏南京人，硕士，副教授，研究方向：信号处理、应用电子。