行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
肢體障礙者用居家無線環境控制系統之研發
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2213-E-151-016- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立高雄應用科技大學電子工程系 計畫主持人： 楊正宏 報告類型： 精簡報告 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 92 年 10 月 27 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
肢體障礙者用居家無線環境控制系統之研發
計畫類別：個別型計畫
計畫編號：NSC 91－ －E－151－ ??
執行期間：91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日
計畫主持人：楊正宏
共同主持人：羅錦興、張瑞昆
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：完整報告
執行單位：國立高雄應用科技大學
中 華 民 國 九十二 年 十 月 日
1
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
肢體障礙者用居家無線環境控制系統之研發
Develop of a wireless environmental control system in housing for
physically disabled
計畫編號：NSC 91- -E-151- ?
執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日
主持人：楊正宏 國立高雄應用科技大學電子工程系
共同主持人： 羅錦興 成功大學電機工程系
張瑞昆 長庚醫院復健中心
一、中文摘要 重度肢體障礙者受到生理狀況與環境 因素上的限制，無法自行看電視、開門、 開電燈…等，而這些日常生活的小動作就 必須依賴家人或其他人來照顧。因此，我 們設計一整合性的居家環控系統，運用科 技輔具，提供單鍵摩斯碼輸入設備給身心 障礙者使用，透過無線 RF 訊號之傳送，讓 使用者就可以在屋內來控制整個環境的家 電設備。經臨床實驗，受訓過的身心障礙 者可透過本系統所設計的科技輔具，對多 項電氣化設備進行控制，藉以提升了身心 障礙者本身的獨立性，降低社會成本。 關鍵詞：摩斯碼、調適性演算法、環境控 制、科技輔具 AbstractSome persons with physical disabilities such as neuromuscular diseases, amyotrophic lateral sclerosis, multiple sclerosis, muscular dystrophy, or other conditions that hinder their ability to write, type, and speak, require an assistive tool for purposes of augmentative and alternative communication in their daily lives. In this paper, we designed and implemented a wireless environmental control system using Morse code as an adapted access communication tool. The proposed system includes four parts: input control module, recognition module, wireless control module, and electronic equipment control module. The signals are transmitted
using adopted radio frequencies (RF), which permits long distance transmission without space limitation. Experimental results revealed that three participants with physical handicaps were able to gain access to electronic facilities after two months’ practice with the new system.
.
Keywords: Morse code, Adaptive signal
processing, Environmental Control, Assistive Technology. 二、緣由與目的 藉由科技輔助工具的應用，身心障礙 者除了能維持其基本生活所需外，更能全 面參與正常的社會生活，安全而方便的使 用各種環境。一般而言，輔具可分為可代 償使用者缺損或喪失的功能與生活中長期 使用等兩種，以種類來分有生活、視覺、 行動、聽覺及醫療復健等。隨著科技的進 步，科技輔具所扮演的角色愈來愈重要， 在各種科技輔具中，以建構在電腦上的軟 硬體設備最多，因其可利用的功能包括提 供訓練、教學、學習與輔助設計等。在國 內外專為身心障礙者特殊設計的電腦輔助 輸 入 設 備 很 多 ， 如 head mouse,
mini-keyboard, king-sized keyboard, trackerball, joystick, alternative keyboard, keyguard, and touch screen 等。對於手部功 能不便，如肌肉萎縮症、腦性麻痺者或重 度肢障者，為幫助他們因無法使用標準鍵 盤，替代性鍵盤(substitute keyboard)是須要 的，其中利用摩斯碼做為輔具的應用很多 [7-20]。在本計畫中，我們選擇操作簡易及
普遍的單鍵摩斯碼(Morse code)做為與中 文電腦溝通的輔助工具。 摩斯碼(Morse code)是由美國電報發 明家摩斯(Samuel F. Morse)發明的，摩斯碼 是藉由點、劃、及間隔三者組合而成，以 代表字母、數字、及標點符號。以時間的 長短來區分，一畫等於三點，每個字母內 點畫之間隔等於一點之長度；每個字中字 母間之間隔等於三點之長度；每一句中字 與字之間等於六點之長度。傳遞訊號的方 式可藉由單鍵的按下與放開來實現，根據 按下或放開的時間長短即可分出長短音或 長短間隔。標準摩斯碼規定長短音的比是 3:1，而且長短間隔的比亦是 3:1。摩斯碼 為國際性通訊碼，其單鍵式操作具備簡 單、快速、成本低的特性，故極適合做為 身心障礙者與外界溝通的輔助工具[1]。 目前絕大多數環境控制裝置的操作介 面皆是針對正常人所設計[21-24]，因此一 套能藉由摩斯碼輸入之居家環境控制系統 對於只能使用摩斯碼操作的身心障礙者是 相當需要的，使他們也能分享資訊時代的 產物且容易的使用科技所帶來的舒適性和 便利性。由於身心障礙者在操作上並無法 和我們正常人一般，因他們不易控制輸入 碼的速率，也可能因長時間的使用導致勞 累造成誤差。所以透過良好的可調適演算 法應用在摩斯碼的辨識上，以提高其辨識 率，相對的也提高了輸入的正確性與速 度。此外再考慮到行動不便的障礙者，在 各種設備的操控介面上若是使用有線的設 計，則所使用的設備一多則會有佈線上的 問題，且在使用上更是不方便，因此利用 無線傳輸來控制各項設備的設計，是十分 重要且必需的。通常身心障礙者都必須仰 賴親人或朋友來照顧其日常生活的起居。 經由這樣的設計，他們將可自主且方便地 使用屋內的各項家電設備，靠自己的能力 來滿足本身的居家需求，進而肯定自己能 力並降低對親人的依賴性，無論在學習、 工作或是生活上都有相當的幫助。 圖 1. 摩斯碼環境控制系統架構圖 電視 燈光 門鎖 其它 RF控制模組 家電控制模組 PC控制模組 RS-232 RF RF接收電路 RF接收電路 通訊介面 RF發射電路 通訊介面 使用者介面 應用程式系統 摩斯碼辨識模組 家電控制開關電路 摩斯碼輪入模組 RF發射電路 單鍵
3 三、系統設計 本系統之架構共分成四個部份(如上 圖)，包括：摩斯碼輸入模組、RF 控制模 組、PC 控制模組、家電控制模組，其詳細 運作方式分述如下： 1. 摩斯碼輸入模組 輸入模組是由單鍵的摩斯碼輸入鍵盤 和 RF 發射電路所組成，而 RF 發射電路中 包 含 了 一 組 微 動 式 開 關 電 路 (high sensitivity switch circuit)、RF 發射晶片組， 負責將使用者所按壓的訊號以無線的方式 傳送至 RF 控制模組。 2. RF 控制模組 當單鍵摩斯碼訊號輸入，RF 接收電路 會透由 RS232 通訊介面送至 PC 控制模組 以進行摩斯碼辨識和分析的工作。然後， 當命令訊號從 PC 控制模組傳回時，單晶片 和解碼電路會開始進行資料接收的動作， 並將資料輸入混頻器(mixer)與本地振盪器 (local oscillator)相加，產生所欲發射之調變 波(modulating wave)，由功率放大器(power amplifier)放大後由天線送出，經過接收端 (家電控制模組)的 8051 晶片處理解碼後， 對家電設備(如：燈光音響、電視機、錄放 影機…等)進行相關控制。 3. PC 控制模組 此系統透過 RS-232 介面的傳輸方式 將由單鍵摩斯碼所形成的按鍵資料送到電 腦中，供電腦系統中的應用程式做辨識和 分析的工作，待電腦分析完畢後，將結果 轉成命令訊號再利用相同的傳輸方式將的 結果送回 RF 控制電路中，以進行家電之控 制。其中，摩斯碼的辨識基本流程可分成 四大處理單元，如圖 2 所示，分別為字元 辨識(character recognition)、元素辨識(tone recognition)、間隔辨識(space recognition) 及基準值調適處理(adaptive processing)。 在應用程 式設計 部份 ，系統架 構在 Windows 的作業平台上，採用親和度高的 圖形控制介面(如圖 3, 4)，並以最小平方誤 差法(Least-Mean-Square, LMS)、基因演算
法(Genetic Algorithms, GAs)、倒傳遞網路 (Back-Propagation Network, BPN)、學習向 量量化網路(Learning Vector Quantization, LVQ) ， 反 傳 遞 網 路 (Counter Propagation Data Input Space Recognition Tone Buffer Character Recognition Character Space xi Dot-Dash Space e1(x1),b1(x1),...,en(x1), bn(x1),e1(xi+1),... ej(xi) bj(xi) Adaptive Processing Adaptive Processing e1(xi),...,ej(xi) Morse code digital stream 圖 2. 摩斯碼辨識流程圖 Tone Recognition mj(xi) ej(xi), mj(xi) ej(xi) m1(xi),...,mj(xi) bj(xi) sj(xi)
Network, CPN)等多種調適性演算法[3-5]來 辨識使用者輸入的摩斯碼，提高正確率。 而為求使用時的方便及輸入速度，在控制 指令上使用較簡短的摩斯碼編碼表[4]。另 外，在設備的控制命令設計上，利用命令 檔的方式來製作，以方便日後控制設備擴 充之用，由於可控制之設備不只一項，故 在命令的設計上加入一設備識別資料，方 能將命令送到正確的設備進行開關控制。 4. 家電控制模組 當命令訊號經由天線進入，經放大器 放大後，在混頻器與本地振盪器做差頻， 產生一較低之中頻頻率，再經中頻訊號放 大器(middle frequency signal amplifier)、中 頻濾波器(middle frequency filter)，以限制 其接收機之接收頻寬(band width)，接著經 限幅與濾波器(filter)的處理將訊號濾出後 送至比較器(comparer)，使其 DATA 訊號格 式成為 0 與 1 之數位邏輯訊號輸出，並將 此資料送到單晶片處理解譯，由單晶片控 制周邊設施控制器，處理使用者所要求的 動作。RF 電器設備(electronic facilities)控制 電路如上圖所示。 四、結果與討論 在本系統中，肢體障礙者可藉由單鍵摩 斯碼控制器，輸入欲使用的週邊家電控制 圖 3. 環境控制指令與摩斯碼對照表 圖 4. 辨識方法及系統功能設定選單 X1 24MHz C2 22pF C3 22pF EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U1 AT89C51 VCC R2 10K 23456789 1 RN2 10K 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 S1 SW DIP-8 RF_RX1 RF_RX2 RF_RX3 RF_RX4 R3 3.3M VCC Vd d 18 Vs s 9 A1 2 A2 3 A3 4 A4 5 A5 6 A6 7 A7 8 VT 17 OSC1 16 OSC2 15 DIN 14 D11 13 D10 12 D9 11 D8 10 A0 1 U3 HT12D C1 10uF R1 10K VCC SW1 RF_RX1 RF_RX2 RF_RX3 RF_RX4 RELAY1 RELAY-SPST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 J1 CON16 RELAY2 RELAY-SPST RELAY3 RELAY-SPST RELAY4 RELAY-SPST RELAY5 RELAY-SPST RELAY6 RELAY-SPST RELAY7 RELAY-SPST RELAY8 RELAY-SPST COL1 P00 PULL_H00 COL2 P01 PULL_H01 COL3 P02 PULL_H02 COL4 P03 PULL_H03 COL5 P04 PULL_H04 COL6 P05 PULL_H05 COL7 P06 PULL_H06 COL8 P07 PULL_H07 PULL_H00 PULL_H01 PULL_H02 PULL_H03 PULL_H04 PULL_H05 PULL_H06 PULL_H07 COL1 COL2 COL3 COL4 COL5 COL6 COL7 RELAY9 RELAY-SPST RELAY10 RELAY-SPST RELAY11 RELAY-SPST RELAY12 RELAY-SPST RELAY13 RELAY-SPST RELAY14 RELAY-SPST RELAY15 RELAY-SPST RELAY16 RELAY-SPST ROW1 P20 PULL_H08 ROW2 P21 PULL_H09 ROW3 P22 PULL_H10 ROW4 P23 PULL_H11 ROW5 P24 PULL_H12 ROW6 P25 PULL_H13 ROW7 P26 PULL_H14 ROW8 P27 PULL_H15 COL8 ROW1 ROW2 ROW3 ROW4 ROW5 ROW6 ROW7 ROW8 PULL_H08 PULL_H09 PULL_H10 PULL_H11 PULL_H12 PULL_H13 PULL_H14 PULL_H15 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RN3 220ohm 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RN4 220ohm VCC Vin 1 Vout 3 GND 2 U2 MC7805 VCC BT2 9V DC BT1 9V DC 23456789 1 RN1 10K VCC VCC COL1 COL2 COL3 COL4 RELAY17 RELAY-SPDT D1 1N4148 VCC RELAY18 RELAY-SPDT D2 1N4148 RELAY19 RELAY-SPDT D3 1N4148 RELAY20 RELAY-SPDT D4 1N4148 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 J2 CON12 C4 100uF C5 10uF C6 0.1uF C7 0.1uF VCC ANT 1 NC 2 GND 3 VCC 4 OUT 5 TEST 6 M1 RF_RX JP1 GROUNDING SW3 POWER_SW SW2 POWER_SW D5 1N4148 D6 1N4148 D7 1N4148 D8 1N4148 D9 1N4148 D10 1N4148 D11 1N4148 D12 1N4148 D13 1N4148 D14 1N4148 D15 1N4148 D16 1N4148 D17 1N4148 D18 1N4148 D19 1N4148 D20 1N4148 P00 PULL_H00 P01 PULL_H01 P02 PULL_H02 P03 PULL_H03 P04 PULL_H04 P05 PULL_H05 P06 PULL_H06 P07 PULL_H07 P20 PULL_H08 P21 PULL_H09 P22 PULL_H10 P23 PULL_H11 P24 PULL_H12 P25 PULL_H13 P26 PULL_H14 P27 PULL_H15 G 19 DIR 1 A1 2 B1 18 A2 3 B2 17 A3 4 B3 16 A4 5 B4 15 A5 6 B5 14 A6 7 B6 13 A7 8 B7 12 A8 9 B8 11 U4 74F245 G 19 DIR 1 A1 2 B1 18 A2 3 B2 17 A3 4 B3 16 A4 5 B4 15 A5 6 B5 14 A6 7 B6 13 A7 8 B7 12 A8 9 B8 11 U5 74F245 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 VCC VCC PA 0 PA 1 PA 2 PA 3 PA 4 PA 5 PA 6 PA 7 C8 0.1uF C9 0.1uF 圖 6. 電器設備無線控制模組電路圖
5 碼並產生和按鍵有關的摩斯碼信號，信號 經由串列埠傳入電腦，透過調適性系統的 演算法分析，再重新調整輸入後的信號， 消除會影響肢障者本身輸入正確性的因 素，而這些因素通常來自肢障者受控於先 天抑或後天所帶來的肌力控制障礙。最 後，將調適後的控制信號編碼後，以 RF 無線通訊方式發送至該項接收設備，進行 家電控制。換言之，當身心障礙者想要看 電視時，僅需敲擊利用摩斯碼控制器，輸 入電視的功能碼，如短、短、短、短、長 碼(. . . . -)則打開電視，輸入短、短、短碼 (. . . )可調大音量等，輸入完畢後，系統將 輸入後的按鍵資料(摩斯碼字串流)透過 RF 無線傳輸方式送入 RF 控制模組再經由串 列埠轉送入個人電腦中利用演算法來辨 識，然後再將辨識後的碼經由 RF 傳送至該 家電設備，即可啟動該項功能。其它家電 設備的控制方法亦如此。讓肢體障礙者能 隨身所欲的自主操控日常起居的生活。 在臨床實驗方面，本計畫與長庚醫院復 健中心張瑞昆復健師合作，邀請李忠憲、 陳正寬兩位長期合作的身心障礙人士參與 系統測試。兩位皆為男性青年，因早產而 導致腦性麻痺和肢體殘障，而無法直接使 用一般方式控制電器用品。經過二個月的 摩斯碼輸入及系統操控訓練，及多次系統 的調整，兩位受測者皆表示此系統確有助 於他們對電器的操作，可改善日常生活之 品質。 五、結論與計畫成果自評 本研究已達成預定計畫目標，完成肢 體障礙者專用之「居家無線環境控制系 統」，並於高雄長庚醫院復健科進行實際測 試。本計劃之構想是緣於職能治療師在肢 障者復健臨床上的需求和過去配合我們研 究的身心障礙者之家長，其有感於生活上 之不便，對我們提出相關之建議，而我們 也本著一顆關懷的心，希望建置一個能便 利居家生活之環境控制系統，提供弱勢族 群一個無障礙之生活空間，進而提升身心 障礙者本身的獨立性，降低社會成本，造 福人類。 六、參考文獻
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