肌萎缩性侧索硬化症、运动神经元疾病、脑瘫、中风、脊髓损伤伴插管等严重残疾患者，均存在不同程度的沟通障碍。  因此，开发一种高效、易用的重度残疾人辅助通信系统就显得尤为重要。 本研究以无线家居辅助系统(WHAS)为研究对象，开发并测试一种具有不同类型辅助输入配件传感器、莫尔斯码翻译器及人机介面的无线家居辅助系统，以协助严重残障人士与人及机器进行沟通。设计了一种莫尔斯电码译码器，作为辅助通信核心装置，以方便严重残疾人士的输入。针对所提出的人机介面，开发以个人电脑为基础的替代增强式通讯，以方便病患与他人沟通。为提高生活质量，开发了家电控制接口，让重度残疾人自己直接控制家电的功能。  实验结果表明，所提出的WHAS是切实可行的。因此，所提出的方法可以帮助严重残疾的人有效地与他们周围的环境互动。

 相关论文以题为“     Wireless Home Assistive System for Severely Disabled People    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 研究背景

 对于肌萎缩性侧索硬化症(ALS)、运动神经元疾病(MND)、脑瘫(CP)、脊髓损伤(SCI)、插管脑卒中等重度残疾患者，借助辅助通信系统可在一定程度上有效改善其生活。 当一些原始的人类功能如运动功能、语言功能丧失时，会给残疾人的日常生活带来非常严重的问题和不便。根据世界卫生组织的《世界残疾报告》，世界60岁以上人口比例将从11%增加到22%，预计到2050年，世界残疾人口将占总人口的15%。一旦患者失去了活动能力和语言能力，就无法与外界进行顺畅的交流。残疾人不能方便地表达自己的意见，照顾者也不能理解残疾人的需求。因此，残疾人与照顾者之间容易产生争执和错误，造成残疾人的不良情绪。残障人士与照顾者之间长期的不良关系会让不好的事情发生，令人难以后悔。  因此，开发一种辅助通信系统对于提高残疾人的通信能力是非常重要的。

 “沟通”是交换意见、传递信息、建立关系的过程。 有效的沟通可以通过良好的媒介或沟通工具来实现。交流的对象不仅包括人，也包括机器。一般来说，交际的媒介可以是语言、文字、动作、表情和可能的互动信息。许多严重残疾，如肌萎缩侧索硬化症、MNDs、CP、脊髓损伤和中风，导致人们永远失去说话和运动的能力;因此，他们不能直接与人交流。当然，他们也不能随心所欲地控制自己的日常生活。渐渐地，残疾人的日常生活变得毫无色彩和意义。

 研究目的

 本研究开发一套无线家居辅助系统，包括莫尔斯电码转换器(MCT)及人机介面，以协助严重残障人士。 为满足严重残疾人士的特殊身体要求或限制，研究人员采用了多种不同类型的辅助输入配件，如机械开关、传感开关、生物信号开关等。为了帮助严重禁用的输入命令和消息，开发了MCT。针对MCT，采用莫尔斯电码以简单的形式表示命令，然后开发了基于莫尔斯电码识别的模糊算法莫尔斯电码来准确识别命令。为协助严重残疾人士与人或机器沟通，开发了人机介面，包括以个人电脑为基础的替代增强式通讯(PC-based AAC)和家用电器控制介面。因此，重度残疾人可以选择其他方式在WHAS中与他人交流，这样他们可以独自做更多的事情，甚至包括日常生活中的娱乐活动。

 研究材料和方法

图1所示的WHAS架构主要是介绍整个辅助通信系统的完整概念，包括三个重要部分。(1)辅助输入附件包括机械开关、传感开关、生物信号开关三种数字开关。(2) MCT是一种嵌入模糊算法的重要核心设备，用于将莫尔斯电码转换为美国信息交换标准码(ASCII)，扮演键盘和鼠标的角色。同时，蓝牙组件与MCT集成，实现无线通信功能。(3)除上述两种硬件外，开发了与辅助输入附件和MCT兼容的基于pc的AAC和家电控制接口等应用软件。

 图1.无线家庭辅助系统(WHAS)结构。

 辅助输入配件

 为了帮助重度残疾人轻松控制MCT，研究人员开发了多种辅助输入配件供重度残疾人选择，如图2所示。 在使用输入数字开关时，采用按下并保持的时间长短来区分莫尔斯电码的长或短音调。在图2中，辅助输入附件可以分为三种类型，包括机械信号、传感信号和生物信号(如眼球运动)。输入附件的选择要根据每个用户的身体残疾情况而定。上述三种辅助输入配件均可向MCT输出类似的数字输出(高/低电平电压持续时间不同)，以代表莫尔斯电码的长/短音调和长/短静音。任何类型的数字开关都可以作为辅助输入附件，只要它能输出类似的数字输出。

机械开关如图2a-d所示。机械开关主要以一个按钮开关和一个微动开关为基础，不需要另外提供电源驱动开关。机械开关连接到一个3.5 mm单公接头上。点击开关，输出低电压电平;否则输出高电压电平。为了快速将莫尔斯电码输入MCT，设计了一个长短音开关(如图2d所示)，通过两个按键分别输入长短音和短短音。

 图2.输入附件的种类。

 人机界面

本研究为用户设计了两种MCT人机界面:基于pc的AAC软件和家电控制界面。以LabVIEW图形语言编写的基于pc的AAC软件包括一个包含单词、短语或句子的大对话数据库和相应的语音数据库。基于pc的AAC数据库基本上可以分为3种对话:日常生活对话、问候对话和情感表达对话。在基于pc的AAC界面上更改或更新单词、短语或句子的新选项是非常容易和灵活的。一般而言，以电脑为基础的AAC对严重残疾人士回复照顾者或家人的讯息更为快捷和有效。越来越多有用和流行的单词、短语、句子、声音，甚至不同的语言，只要硬盘或磁盘足够大，就可以添加到数据库中。基于pc的AAC内置的语音数据库包括合成的计算机语音和真实的人的声音，例如家庭或照顾者的声音，甚至是严重残疾人士的真实声音。基于pc的AAC可以借助MCT进行操作;当鼠标模式下设置MCT或键盘模式下输入word时，用户可以单击图3所示界面上的选项。与一般独立的言语障碍残疾人AAC产品相比，基于pc的语言障碍残疾人AAC产品在没有硬件限制的情况下更新或增加词库或短语库的规模更容易、更可行。

 图3.个人计算机为基础的可选增强通信(PC-based AAC)的用户界面，其语音输出包含在WHAS中。

家电控制界面如图4所示，包括对话框三部分，分别用于一般家电控制、空调控制、电视频道选择。除了上面提到的软件接口，还有一些硬件组件，如红外收发器、Arduino模块、蓝牙模块，以及开关电源控制盒(用于控制一般家用电器，如风扇、音乐、灯光等)。用户可以通过家电控制界面自行控制一般家电、空调、电视频道。采用两种无线通信协议来完成家电的无线控制:一种是红外协议，另一种是蓝牙协议。用户可根据计算机屏幕上的家电控制界面，使用辅助输入附件和MCT对家电目标的功能进行操作。家电控制系统自动选择红外协议(空调、电视频道选择器)或蓝牙协议(一般家电风扇、音乐、灯光等)与家电通信，完成家电控制自动化。

 图4.家用电器控制系统的用户界面严重失效。

 结论

 本研究成功开发了一套包括辅助输入配件、MCT及人机介面的WHAS，以协助严重残障人士与人及机器进行沟通。许多不同类型的辅助输入配件，如机械开关、感应开关和生物信号开关，可有效地用于满足严重残疾人士的特殊生理要求或限制。 MCT的开发是为了缓解输入命令和消息时的严重残疾。开发了基于pc的AAC和家电控制接口等人机界面，缓解了严重的人或设备沟通障碍，从而大大提高了生活质量。实验结果表明，用MCT进行莫尔斯码打字测试的正确率约为92%，误差包括插入错误(1.71%)、删除错误(2.99%)和替换错误(5.13%)。因此，MCT对于重度残疾患者的有效性也被证明是切实可行的。此外，对人机界面的主观评价显示，重度残疾者对所提出的基于pc的AAC和家庭自动化应用非常满意。重度残疾人一旦能够操作电脑、互联网、基于pc的AAC和家用自动化电器，他们将变得更加自信和独立;因此，看护者或家人的帮助就会减少。  在未来，新型辅助交流的多语言版本可以继续发展，以帮助世界上更严重的残疾人。