基于GPS的智能導盲拐杖設計

賈道杰++張銳++賈道春

摘 要：文章設計了便于老人、盲人、智障人士等特殊群體出行使用，便于家人監(jiān)護和尋找的一種多功能智能導盲拐杖。系統(tǒng)以STC系列單片機為主要控制中心，采用超聲波傳感器檢測4米內的障礙物，并通過舵機來控制測距的角度，使之可以實現(xiàn)多方向測距；采用語音和震動兩種方式來提示使用者及時躲避障礙物；另外，在系統(tǒng)中加入GPS模塊，能確保監(jiān)護人在使用者遇到突發(fā)狀況的第一時間知曉使用者所處的位置，對特殊人群的出行提供切實有效的幫助。

關鍵詞：單片機；智能；拐杖；GPS

中圖分類號：U666.12+3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）24-0006-03

我國是世界上人口最多的國家，盲人、老人等特殊群體數(shù)量尤為龐大。伴隨著社會文明的不斷發(fā)展，老人、盲人、智障人士等群體的一些特殊需求也贏得全社會的廣泛關注。目前，市場上導盲拐杖的需求越來越多，它不僅適合盲人也適用于年邁的老人或者其他特殊人群。現(xiàn)如今，國內外已有許多盲人在使用導盲犬進行外出引路，但培訓導盲犬有著難度大、時間長、成本高等一系列問題[1]。同時普通的拐杖仍存在著諸如：迷路時無法準確定位， 家人很難尋找等問題。本文中充分結合電力電子技術、通訊技術以及相關的機械結構創(chuàng)新，設計研發(fā)了一款基于GPRS的智能導盲拐杖系統(tǒng)。

1 總體方案設計

智能導盲拐杖的使用者一般有著動作緩慢、應急能力差等特點。在設計整個導盲拐杖時應追求結構簡單，利于操作，便于隨身攜帶等優(yōu)勢。智能導盲拐杖總體結構，如圖1所示。

系統(tǒng)中硬件電路主要包括超聲波測距模塊、GPRS/GPS定位模塊、警示燈和語言錄放模塊等；軟件部分包括處理GPS信號、發(fā)送GPS坐標以及超聲波測距等功能程序。

2 GPS定位模塊

本設計系統(tǒng)采用包括GPRS 模塊，STC系列單片機，GPS定位模塊，適合于利用單片機開發(fā)遠程數(shù)據(jù)傳輸、智能家居、遠程開關、短信群發(fā)系統(tǒng)以及GPS跟蹤定位防盜等。

GPS定位系統(tǒng)主要有三部分組成：GPS空間部分、地基監(jiān)控站部分和GPS用戶接收機部分[2]。本文中設計使用的GPS定位模塊為u-blox公司的NEO-5Q主芯片，該型號芯片采用ROM為基礎架構，具有成本低，體積小的特點，符合眾多應用系統(tǒng)。GPS定位模塊的電路圖，如圖2所示，其中，20引腳外接TXD1，發(fā)送GPS數(shù)據(jù)信息；21引腳外接RXD1，接收GPS數(shù)據(jù)信息。另外該型號芯片采用最新的KickStart微弱信號攫取技術，能確保采用此模組的設備具有最佳的初始定位性能并進行快速定位的優(yōu)點[3]。

3 語音錄放模塊

ISD1420是美國ISD公司出品的新型單片優(yōu)質語音錄放芯片，該芯片具有地址模式和操作模式兩種模式。語言錄放電路，如圖3所示，在設計系統(tǒng)中，錄音功能和播放功能采用同一個電路，因此需要修改地址線的位置和PLAYE的位置來實現(xiàn)不同的功能。

錄音時，A0-A7引腳接實驗箱的開關口，作為錄音地址，REC引腳接按鍵作為錄音按鈕。錄音時一直保持低電平，PLAYE引腳接按鍵作為放音按鈕，14與15引腳之間外接一個播音喇叭。放音時，A0-A7接單片機的P2口作為地址輸入，PLAYE引腳接單片機的P1.5作為放音觸發(fā)端。

4 超聲波測距模塊

對于盲人而言，如何及時的躲避掉道路前面的路障顯得尤為重要。正常成年人的行走速度為1.5 m/s，反應時間為0.15 ～0.4 s，按照人的最慢反應時間來算，從人感知到前方障礙物到停止前進，依然還要行進0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設定障礙物探測距離為1 m[4]。

超聲波測距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路3個組成部分。系統(tǒng)采用HC-SR04型號芯片，該芯片測距精度可高達3 mm，可提供2 ～400 cm的非接觸式距離感測功能[5-7]。超聲波傳感器的時序圖，如圖4所示。

時序圖表明單片機提供一個10 us以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將循環(huán)發(fā)出8個40 kHz脈沖電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號[5]。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比，由此通過發(fā)射信號收到的回響信號時間間隔計算所測距離。本設計系統(tǒng)中，測量周期設為60 ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響[6-8]。測量距離公式如下：

X=■（1）

式中，X為測量距離，T為高電平時間，V為聲速；

根據(jù)實際測量結果，超聲波傳感器測量距離與實際測量的距離的比較，見表1。

超聲波測距模塊，如圖5所示，VCC引腳外接5 V電源，GND 接地，TRIG為觸發(fā)信號輸入，ECHO為回響信號模塊輸出。在本設計系統(tǒng)中使用三個超聲波傳感器，可分別測量三個方向上障礙物的距離，六個引腳分別接在P1.0～P1.5口。

5 系統(tǒng)軟件設計

本文中拐杖的智能導盲功能需要實時的測量出距離障礙物的距離，系統(tǒng)中單片機通過控制超聲波傳感器得到障礙物距離拐杖的距離，并在數(shù)碼管上面顯示。單片機分析該距離，若距離小于設定值時，系統(tǒng)通過語言錄放模塊發(fā)出語音警報。當遇到特殊情況時，使用者按下按鈕。單片機檢測到外部有按鈕按下時，系統(tǒng)進入中斷，此時開啟GPS定位模塊并及時發(fā)送求救信息。

在本系統(tǒng)中測距功能主要是通過測距子程序來實現(xiàn)，分別測量三個方向上的障礙物距離，及時做出相應的操作提示，超聲波測距程序框圖，如圖6所示。

在測距子程序中，變量i定義為測距4 m時所需要的時間，防止障礙物距離大于4 m，超聲波無法檢測時進入死循環(huán)。首先拉低脈沖輸入引腳，對定時器進行初始化。然后給脈沖輸入端一個大于10 us的脈沖信號，觸發(fā)超聲波測距模塊工作，等待回波信號，并對i減法計數(shù)。若有回波信號，并且i的值還大于0，說明前方4米之內有障礙物。開啟定時器計時，直到回波信號變成低電平，關閉定時器，取出定時器的值[10]。通過公式（1），計算得出此時障礙物與使用者之間的距離，將此數(shù)值返回主程序。

6 結 語

結合以上思路，設計制作出智能導盲拐杖的樣品。本文是基于GPS的智能導盲拐杖設計，并采用GSM模塊實現(xiàn)與手機的通訊，具有切實可行的現(xiàn)實應用價值，系統(tǒng)概括起來具有如下特點：

①實現(xiàn)多方向自動測距和障礙物提示，操作方便，在嘈雜的環(huán)境中還可通過振動來提示使用者注意避障。

②添加了時鐘，能整點報時，使用者可以隨時掌握時間。

③到突發(fā)情況時，可及時定位并發(fā)送求救信息。

參考文獻：

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