張薛歡++林少?zèng)_++王晗++謝云虎

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們的生活越來越多地依賴于電腦。然而電腦的出現(xiàn)并不是給所有人的生活都帶來了便利，對(duì)于那些無臂或者高位截癱的殘障人士來說，鼠標(biāo)的操控成了最大的問題。因此本文針對(duì)無臂或者高位截癱的殘障人士使用電腦困難的問題，設(shè)計(jì)了一種依靠識(shí)別頭部移動(dòng)和識(shí)別語音的系統(tǒng)來控制電腦光標(biāo)的移動(dòng)，使其可以自如地操作電腦。在很大程度上便利了其生活。且此項(xiàng)設(shè)計(jì)還能夠?qū)崿F(xiàn)記錄人使用鼠標(biāo)的時(shí)間長短，具有提醒人們休息進(jìn)而起到防止疲勞的作用。

關(guān)鍵詞：識(shí)別控制；鼠標(biāo)智能化；康復(fù)工程

在信息高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，電腦逐漸成為家庭的必需品，但是這電腦的操控在很大程度上都依賴于人的手臂，所以對(duì)于那些無臂殘疾人士或者高位截癱患者來說難以操作，不便于他們與外界的溝通甚至是自己生活方面的便利?，F(xiàn)有的一些聲控鼠標(biāo)，因?yàn)槭艿皆肼暤母蓴_，只能在特定的環(huán)境中進(jìn)行使用。并且現(xiàn)有的陀螺儀設(shè)備雖然也能實(shí)現(xiàn)定位功能但是對(duì)使用者的限制比較大，給使用帶來了很大的局限性。所以，研究出一種能夠幫助無臂患者使用電腦的鼠標(biāo)十分必要，這將極大地便利其生活。

1 智能助殘鼠標(biāo)的概述

我們?cè)谑褂迷撓到y(tǒng)時(shí)，可利用某種掛飾載體夾將其固定在耳麥或者耳機(jī)上，若電源開關(guān)打開，各模塊指示燈亮，無線主從模塊開始配對(duì)，一旦無線指示燈提示配對(duì)成功且語音模塊采集到使用者“開始”語音控制指令，整個(gè)系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)工作時(shí)，通過人頭部的上下左右移動(dòng)，帶動(dòng)MPU6050的移動(dòng)，MPU6050感應(yīng)到移動(dòng)并將這種移動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，以無線的形式傳送至電腦，控制光標(biāo)移動(dòng)。通過LD3320采集人的語音信息，經(jīng)無線的形式傳輸至電腦，控制鼠標(biāo)的“單擊”、“雙擊”、選中和調(diào)用鍵盤打字等功能，甚至是控制家用電器的開關(guān)。通過VB鼠標(biāo)上位機(jī)將光標(biāo)控制在小范圍內(nèi)移動(dòng)，避免頭部過度勞累。通過VB電器控制上位機(jī)將控制指令包括在一個(gè)上位機(jī)界面內(nèi)，點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)即可控制紅熱釋電人體紅外傳感器模塊對(duì)電器進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)語音和電器上位機(jī)對(duì)家電的雙控制。

2 助殘智能無線鼠標(biāo)設(shè)備的構(gòu)成

2.1 硬件模塊構(gòu)成及描述

主要模塊包括：主控制器模塊、重力傳感器模塊、語音識(shí)別模塊、紅外線發(fā)射傳感器模塊、無線藍(lán)牙模塊、電源模塊。主控制器模塊利用擁有高性能、低成本、低功耗的嵌入式系統(tǒng)的STM32微型處理器作為微控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制。嵌入式系統(tǒng)是一種完全嵌入受控器件內(nèi)部的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其以應(yīng)用程序?yàn)楹诵牟⑶乙部蛇M(jìn)行裁剪從而滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能，有代碼規(guī)模小、自動(dòng)化水平高、處理響應(yīng)快、成本小、功耗低等特點(diǎn)。重力傳感器模塊優(yōu)先選用MPU6050六軸傳感器。其負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后通過 IO 口傳給 STM32 單片機(jī)， 然后由控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過 SPI 通信總線將數(shù)據(jù)傳送給射頻模塊發(fā)射端，發(fā)射端在單片機(jī)的控制下將數(shù)據(jù)發(fā)給從機(jī)進(jìn)行處理。需要特別指出的是MPU6050 并不單單是一款傳感器，其內(nèi)部集成的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器 DMP，可以直接運(yùn)算出四元數(shù)和姿態(tài)，而不再需要另外進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。由DMP實(shí)現(xiàn)姿態(tài)解算算法將單片機(jī)從算法處理的壓力中解放出來，單片機(jī)所要做的是等待 DMP解算完成后產(chǎn)生的外部中斷，在外部中斷里去讀取姿態(tài)解算的結(jié)果。這樣，單片機(jī)就有大量的時(shí)間來處理其他任務(wù)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。 語音識(shí)別模塊LD3320的在助殘智能無線鼠標(biāo)的應(yīng)用如下。首先，利用其在一定條件下采集人的語音信息，錄入指令，例如“左鍵”、“右鍵”、“雙擊”、“校正”、“加速”、“減速”、“停止”、“終止”等指令。若非特定人語音識(shí)別模塊采集到相應(yīng)的光標(biāo)控制指令，則可控制光標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鼠標(biāo)的相應(yīng)功能，例如，“單擊”、“雙擊”、“停止”等若采集到電器語音控制指令，則選擇選中電器進(jìn)行語音控制，對(duì)于開關(guān)，將繼電器模塊的端接到零線開關(guān)上，用語音控制高低電平來實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)燈的控制，對(duì)于電器，加入相應(yīng)的語音控制指令，例如遙控器所需要的數(shù)字“1，2，3，4，5，6，7，8，9”和一些常用的字按鍵針對(duì)于電視，有“電視、開、關(guān)、加、減、確定”等等針對(duì)于空調(diào)，有“空調(diào)、開、關(guān)、加、減、制熱、制冷、風(fēng)速”等等針對(duì)于電燈，有“電燈、開、關(guān)”等等，利用這些指令進(jìn)行相關(guān)控制，在這其中，有些按鍵語音可以使用同一條指令，完全滿足語言模塊容量條的要求。若采集到鍵盤調(diào)用指令，則可調(diào)用屏幕鍵盤，進(jìn)行打字。本文采用熱釋電人體紅外傳感器作為紅外線發(fā)射傳感器模塊。熱釋電人體紅外傳感器由敏感單元，阻抗變換管和濾光窗等構(gòu)成。當(dāng)敏感單元檢測(cè)不到人體輻射的紅外能時(shí)，傳感器無電流，也即是沒有輸出。當(dāng)人體靜止在檢測(cè)區(qū)時(shí)，其上的兩個(gè)電極上的紅外光的光量達(dá)到平衡，電極上產(chǎn)生等量的光電流，此光電流在回路中相抵銷，傳感器仍無信號(hào)輸出。同理，在燈光和陽光下，因陽光移動(dòng)速度極緩慢，再加上傳感器的響應(yīng)頻率很低和傳感器對(duì)紅外光的敏感波長范圍很窄，傳感器對(duì)它們不敏感。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)引起傳感器本身溫度變化，因兩個(gè)電極是用同種材料，同樣大小，且在同一晶片上所以產(chǎn)生的等量光電流也相互抵銷，傳感器也無信號(hào)輸出。從原理上講，任何發(fā)熱體都會(huì)產(chǎn)生紅外線，熱釋電紅外傳感器敏感單元對(duì)紅外線的感受表現(xiàn)在敏感單元的溫度變化，而溫度的變化導(dǎo)致電信號(hào)的變化。環(huán)境與自身的溫度變化由其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了不向外輸出信號(hào)；而傳感器的低頻響應(yīng)和特定紅外波長響應(yīng)決定了傳感器只對(duì)外界的紅外輻射而引起本身的溫度變化敏感，或者說只對(duì)人體的運(yùn)動(dòng)敏感。因此，熱釋電人體紅外傳感器可以抗可見光及其中極大部分紅外線的干擾。而濾光窗也能有效地讓人體輻射的紅外線通過，而阻止陽光、燈光等可見光中的紅外線通過。對(duì)于無線模塊，本文中鼠標(biāo)的發(fā)送端與接收端之間通過Zigbee協(xié)議進(jìn)行通信，兩者之間采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)發(fā)送端與接收端進(jìn)行綁定，可以一對(duì)一發(fā)送、一對(duì)多發(fā)送、多對(duì)一發(fā)送，從而實(shí)現(xiàn)主從機(jī)的交互。

2.2 軟件的構(gòu)成

軟件的構(gòu)成主要分為以下幾大部分：第一，系統(tǒng)能夠根據(jù)MPU6050重力傳感器模塊、LD3320語音識(shí)別模塊和Zigbee無線模塊接收到的信息經(jīng)過STM32的處理之后對(duì)相應(yīng)設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的指令使其進(jìn)行工作。第二，我們使用的是VB鼠標(biāo)上位機(jī)和VB電器控制上位機(jī)，VB是Windows下一個(gè)面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，其本身就支持鼠標(biāo)。通過VB鼠標(biāo)上位機(jī)將光標(biāo)控制在小范圍內(nèi)移動(dòng)，避免頭部過分勞累通過VB電器控制上位機(jī)將控制指令包括在一個(gè)上位機(jī)界面內(nèi)，點(diǎn)擊相應(yīng)選項(xiàng)即可控制紅外線發(fā)射器模塊對(duì)電器進(jìn)行相關(guān)操作，實(shí)現(xiàn)語音和電器上位機(jī)對(duì)家電的雙控制。

3 助殘智能鼠標(biāo)的應(yīng)用

本文研究的助殘智能鼠標(biāo)主要是致力于便利無臂或者高位截癱患者的生活，使他們能夠自如地操作電腦和其他多種電器。不僅如此，此次研究的助殘智能無線鼠標(biāo)還能夠記錄人們使用電腦時(shí)間的長短，能夠在規(guī)定的時(shí)間里提醒人們應(yīng)該放松一下自己的眼睛，具有防疲勞的作用。

4 結(jié)語

綜上所述，作為一項(xiàng)康復(fù)工程，助殘智能無線鼠標(biāo)將工程技術(shù)更好地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，使殘障人士的生活能力能夠得到更好的補(bǔ)償，最大限度地恢復(fù)其獨(dú)立生活、學(xué)習(xí)、工作、回歸社會(huì)、參與社會(huì)的能力。

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