【文章內(nèi)容簡介】 大國，老年人的贍養(yǎng)監(jiān)護工作顯得尤為繁重。于此同時 ， 老人 因為年齡偏大， 一個人 做家務(wù)時多有不便 。又 由于 無法 及時 的與子女溝通 ， 所以 倍感孤獨。這些使 他們的身體狀況和 心里 狀況都存在著一系列的問題。 并且， 由于遠處 子女 無法 了解 家中 老人的身體狀況 ， 當 老人 身體突發(fā)意外時，子女 無法 及時知曉 并 采取措施。 國內(nèi)外 發(fā)展現(xiàn)狀 隨著 科學技術(shù)的日新月異， 機器人 的研究技術(shù)越發(fā)走向成熟。 世界上有許多公司對機器人已有很深入的研究 。 取得 較大成就的當屬日本本田 公司 ，該 公司在 20xx 年 研制成功 了 一款仿人機器人，名字叫做 ASIMO，該機器人 是 到目前為止世界上最 先進 的 仿人 行走機器人 [2]。 其他 一些公司像法國的 Aldebaran Robotics 公司 、 日本的 索尼公司 等也 在機器人研究方面有 較 深的研究 。 Aldebaran Robotics 公司 的 NAO 不僅外形可愛，而且具有一定 的人類 情感 ， 能夠完成與人的一些簡單的交流互動 [3]。 各公司 在 追求 高端的同時卻忽略了其實用性，服務(wù)于日常生活的機器人 的 種類 目前 還 較為 單一。 在 國內(nèi)，各研究機構(gòu) 對 機器人的 研究 也 在日益走向成熟。 在追求 高端的同時似乎更加注重了實用性的特點。典型 的 有服務(wù)于餐廳的服務(wù)員機器人 、 刀削面機器人 等 。 中國臺灣 曾經(jīng) 研制出能夠進行安保的機器人 。 這 款機器人 具有 自行行走 和 自主避障等一系列功能， 并 能夠 進行 對環(huán)境的安保報警工作 。 類似 的機器人哈爾濱工業(yè)大學也 開發(fā) 了一個。該機器人 服務(wù) 于家庭中，可對家中情況進行巡視，當發(fā)現(xiàn)有異常變化時 會 通知 主人 ，并啟動報警功能 [4]。 目前 ， 國內(nèi)外 設(shè)計開發(fā) 服務(wù) 于日常生 活 的機器人主要有 以下 幾種， 其中 包括 清潔 機 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 2 頁 器人、 娛樂 機器人、 安防 機器人 等 。 而 專為老人服務(wù)的機器人還沒有 出現(xiàn) 在市場上。 論文 主要研究內(nèi)容 根據(jù) 研究背景以及國內(nèi)外 現(xiàn)狀 ， 人們 更加迫切需要一種專門服務(wù)于空巢老人的機器人 ， 在減輕子女 負擔 的 同時 ，幫助子女了解老人的身體狀況。 本論文 主要 研究 機器人 如何采集老人生理數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到 遠程 子女客戶端 。 為此 本文就 以 下的幾個方面內(nèi)容進行了研究： (1)心率 采集模塊； (2)藍牙 通信模塊； (3)設(shè)備 驅(qū)動分析與移植 ； (4)Linux 系統(tǒng)下 網(wǎng)絡(luò) 編程； 系統(tǒng) 需要完成以下幾方面工作： (1)設(shè)計 藍牙接口通信電路，將 兩個 藍牙 通信 模塊 分別 連接到心率采集 模塊和移動機器人 本體 上 (ARM 處理器 )。 完成 藍牙主從模塊配對 連接 等工作。 (2)搭建 交叉編譯環(huán)境， 在 機器人本體上 (ARM 處理器 )使用 串口通信方式，編寫串口通信程序 收集心率數(shù)據(jù) 并 進行 簡單的 處理。 (3)完成網(wǎng)卡 驅(qū)動由 PC 機到 ARM 處理器 的 移植 ， 實現(xiàn) 處理器的無線網(wǎng)絡(luò)通信。 將心率 數(shù)據(jù) 通過 網(wǎng)絡(luò)編程 發(fā)送到遠程 客戶端。 本章 小結(jié) 本章主要 說明本課題 研究 背景和國內(nèi) 外 現(xiàn)狀，并依據(jù)以上兩點 確定 立項原因。 于此同時 ， 簡要說明本文研究的內(nèi)容 以及 將要開展的幾方面工作。 使 讀者了解本文的研究內(nèi)容和系統(tǒng) 實現(xiàn) 的功能。 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 3 頁 第二章 系統(tǒng) 總 體 結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng) 分析設(shè)計 移動 機器人日常主要工作是打掃房間， 工作區(qū)域 十分固定 ， 老 人與移動機器人 的 距離 通常保持 在一定的范圍內(nèi) 。與此同時 ，手環(huán)與移動機器人是分離的。 為此 本系統(tǒng)在手環(huán)與移動機器人 之間 通信設(shè)計上 優(yōu)先 選擇近距離 無線 通信技術(shù)。 近些年 ，由于通信與信息技術(shù)的 日新月異 ， 各種以 無線 方式進 行 通信 的技術(shù) 得到 廣泛 的 應(yīng)用 ，并且 已 十分成熟。 如今應(yīng)用較為廣泛 的 近 距離 無線 通信技術(shù) 有藍牙 技術(shù)、 WiFi、 IrDA 技術(shù) 、 ZigBee 技術(shù)等。 各種 近距離無線通信技術(shù)都有其 自己 的特點 。 有些 技術(shù) 適合對功能進行擴充 ， 而有些 因 滿足 特定 應(yīng)用 得名 ，還有 傳輸 的速度、 傳輸 距離、功耗 等各自 的不同。 在各種 通信技術(shù)中，藍牙技術(shù) 被廣泛 應(yīng)用于各種設(shè)備之間，并且技術(shù)成熟。 它的 通信范圍在 10m內(nèi) ，并且 能夠達到 1Mbps 傳輸速率 ， 傳輸效率高，穩(wěn)定 性 強。所以 ， 本 系統(tǒng)選用 藍牙技術(shù)進行移動機器人與 心電 手環(huán)之間的通信。 移動 機器人需要 將 老人 心率 數(shù)據(jù)發(fā) 送到 子女客戶端 ， 因為子女 通常不在家 中，所以 子女 客戶端要 接收到心率數(shù)據(jù)需要 網(wǎng)絡(luò) 通信。移動 機器人 日常工作是打掃房間，不能 固定 在一個位置，將機器人與有線網(wǎng)絡(luò)進行連接顯然是不合理的 。 因此 ，需 通過無線網(wǎng)絡(luò)通信將 心率 數(shù)據(jù)發(fā)送到子女客戶端。 通過 以上分析， 可以 設(shè)計出系統(tǒng)的總體框圖 ： 由 圖可知， 本系統(tǒng)工作 流程 可 分為兩個階段， 第一階段是心電 模塊 采集 老人 心率 數(shù) 圖 21 系統(tǒng)總體 框圖 Figure 21 system overall block 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 4 頁 據(jù) 。 藍牙 從 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到 移動 機器人藍牙 主 模塊上。 第二階段是 藍牙主模塊接收心率數(shù)據(jù)， 并 在移動機器人 的 ARM9 處理器 上 對 數(shù)據(jù)簡單處理。 然后 將 心率數(shù)據(jù) 利用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程 客戶端 [5]。 硬件 選型 心電 模塊的選擇 由于 考慮到心電模塊要穿戴到空巢老人手腕上 。 所以，心電 模塊 選型上要在保證心電信號穩(wěn)定性的 前提 下 適合 穿戴 。 心電模塊選擇了 STM32F103C8T6 微 處理器為 內(nèi)核 ，STM32 是 ST公司推出的基于 ARMCortexM3 內(nèi)核的 32 位單片機。 該 單片機 計算 處理數(shù)據(jù)能力 比 8 位 和 16 位 單片機 強很多， 并且處理 代碼效率 更高 。 在 功耗方面，該單片機 具有 三種模式 相互 切換 ， 可以使功耗達 到最低 。 由于 心電 模塊要 安放 在可穿戴 手環(huán) 上，所以對功耗方面要求盡可能最低。 而該 單片機 剛好 滿足可穿戴設(shè)備對 功耗 方面 的要求。心電 采集模塊 選用 的 是 AD8232 芯片 ， 該 芯片 主要 用于 ECG 和 一些生物電的測量。因為該芯片本身 集成 了 一些 先進 設(shè)備 ，可以自動濾去噪聲 或是 放大微弱的生物電信號， 所以 對其 采集數(shù)據(jù) 的準確性 能夠 得到一定的保證。 與此同時 ，該設(shè)計可以 讓 單片機輕松的采集到輸出的信號， 這 使 得選用 的處理器與 其 更好 的配合。 完整 的心電模塊圖如 圖 31心電 模塊圖 。 圖 21 心電 模塊圖 Figure 21 ECG module chart 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 5 頁 藍 牙通信 模塊的選擇 將 心 率 數(shù)據(jù) 以 無線傳輸 方式發(fā)送 到機器人本體上的關(guān)鍵在于實現(xiàn)藍牙模塊之間的數(shù)據(jù)通信。藍牙模塊的性能決定了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性 、 傳輸速率、效率及功耗等。 藍牙模塊 需要 主從模塊 兩個，需要 設(shè)置 波特 率 、 主從模式 等相應(yīng)參數(shù) 。 設(shè)置 完成后 ， 主 模塊 能夠 搜索到從模塊并 完成 配對 。 藍牙模塊的 選擇 是十分重要的。 本 項目 選擇 BLKMDBC04B藍牙 模塊 為 主 模塊 作為 其解決方案。 該 模塊使用的芯片是英國 CSR 公司 的 BlueCore4Ext。該芯片 遵循 +EDR 藍牙規(guī)范 ， 支持各種常用 接口 。 該 模塊 除了 具有研發(fā)成本低、 體積小 巧的特 點 外， 模塊 的功耗 也 很低并且收發(fā)十分靈敏。 與此同時 ，該模塊 采用主從一體式設(shè)計且支持軟硬件控制主從模式轉(zhuǎn)換，支持連接 7 個藍牙從設(shè)備。利用藍牙模塊的 AT 指令集可以方便地對 藍牙模塊進行配置和查詢。選用 HM06 模塊 作為從模塊 。 HM 系列藍牙模塊采用 CSR Blue Core、 TI CC2540 芯片，配置 256Kb、 68Mbit 的軟件存儲空間，支持 AT指令，用戶可根據(jù)需要更改 SPP 角色（主、從模式） 以及串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。 該模塊 設(shè)計時為了滿足于袖珍設(shè)備的使用 ， 封裝盡可能達到最小， 只有 ** 大小 ， 滿足 心電手環(huán) 對 體積 的要求。 無線網(wǎng)卡 選型 為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接口，本文選用 TPLINK 公司 的 TLWN823N 無線網(wǎng)卡作為解決方案。該網(wǎng)卡遵循 IEEE 、 IEEE 以及 IEEE 標準，其傳輸速率 圖 22 藍牙主 從 模塊圖 Figure 22 Bluetooth masterslave module 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 6 頁 最高可達 300Mbps（ IEEE 標準下）且體積小巧非常便于安裝。 移動 機器人選型 由于 移動機器人 選型及結(jié)構(gòu) 復雜 ，并且不是本論文 研究 重點，所以在此 僅對 其 作 簡要 介紹。 本文采用 Friendly ARM 公司的 micro2440 開發(fā)板為信息處理模塊的實現(xiàn)硬件。Micro2440 采用核心板 +擴展底板的設(shè)計結(jié)構(gòu)，其核心板其實是一個最小系統(tǒng)板，采用六層 PCB 板設(shè)計，利用等長布線的方式滿足信號的完整性需求，保證了信息處理時的穩(wěn)定性。 采用 Samsung S3C2440A 為處理核心，默認主頻 為 400MHz，最高可達 到 533MHz，能夠滿足機器人平臺對計算能力的要求。板載 64M SDRAM，時鐘頻率可達 100MHz 并擁有 1G NAND FLASH 用以滿足機器人平 臺對存儲空間的需求。此外，核心板還引出56Pin 作為 GPIO 接口并提 50PinLCD/CAMERA 接口與 56Pin 的系統(tǒng)總線接口，為我們對外進行擴展提供了充足的空間 [5]。 圖 24 移動 機器人圖 Figure 24 mobile robot 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 7 頁 硬件 實現(xiàn) 藍牙模塊 連接 藍牙 主模塊用于接收從模塊發(fā)送的數(shù)據(jù) ,連接 在 micro2440 開發(fā)板 的 串口 3 上 ,該 串口輸出 TTL 信號。藍牙 模塊 有 VCC、 RXD、 TXD、 GND、 SET、 3V 六個引腳 。 VCC 為電源引腳， 工作 電壓為 5V。 RXD 與 TXD 分別 為 接收數(shù)據(jù)和傳 送 數(shù)據(jù)引腳。 GND 為地線 圖 23 micro2440 開發(fā)板 圖 Figure 23 micro2440 development board 圖 25 藍牙 模塊連接圖 Figure 25 Bluetooth module connection 內(nèi)蒙古大學本科畢業(yè) 論文 (設(shè)計 ) 第 8 頁 引腳。 SET 可 作為硬件主從設(shè)置口， SET 引腳接 電壓 時 模塊為主模塊， 懸空 或接GND 模塊為從模塊。 將開發(fā)板 VCC RXD TXD GND 與 藍牙模塊的 VCC、 TXD、 RXD、GND 引腳 對應(yīng)連接 ， 注意 輸入 輸出 需要 反接。 具體連線 方式