GPS定位智能導(dǎo)盲系統(tǒng)

陳林++陳金松++沈俊藝++陳亨利++湯姝茜

摘要：本系統(tǒng)是基于STM32F103X單片機(jī)，控制超聲波測距模塊實(shí)時對行走路線路障測距并進(jìn)行語音提醒，可通過語音識別設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，每隔一段時間讀取GPS模塊位置、時間等信息并通過 GPRS 通信將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)分析及控制，手機(jī)APP通過 TCP 協(xié)議訪問服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。整個系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場路障測距、語音控制、位置監(jiān)控和智能化遠(yuǎn)程管理。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲系統(tǒng)；單片機(jī)；GPS衛(wèi)星定位；GPRS通信；實(shí)時監(jiān)控

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）03-0192-02

1 引言

盲人由于先天或后天的生理缺陷喪失了視覺，因此，在日常生活和安全行進(jìn)方面受到很大的制約。在我國，盲人目前的導(dǎo)盲輔具普遍是普通盲杖，這種導(dǎo)盲輔具不僅功能單一，而且很大程度上不能保證盲人的安全，意外事件屢屢發(fā)生。基于上述問題，本項(xiàng)目以增強(qiáng)盲人的行走安全，提高盲人的生活質(zhì)量為目的，重點(diǎn)研究導(dǎo)盲系統(tǒng)的智能化、多功能化和人性化。

本項(xiàng)目是應(yīng)用C語言編程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由STM32F103X單片機(jī)、GPS模塊、語音合成模塊、超聲波測距模塊和報(bào)警模塊對盲人實(shí)時定位跟蹤與引導(dǎo)行進(jìn)，通過GPRS通信模塊與上位機(jī)和手機(jī)APP進(jìn)行通信，實(shí)時監(jiān)控盲人的地理位置、行進(jìn)路線和報(bào)警信息，并儲存和在地圖上顯示等。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 基本功能

導(dǎo)盲系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測盲人的當(dāng)前位置、運(yùn)動狀態(tài)和周邊環(huán)境等信息，并向盲人提供躲避障礙物、向外發(fā)出求救信號和危險(xiǎn)報(bào)警等相應(yīng)的協(xié)助引導(dǎo)服務(wù)，盲人可以通過語音方式對導(dǎo)盲系統(tǒng)進(jìn)行一系列的操作；導(dǎo)盲系統(tǒng)通過GPRS模塊傳送盲人的實(shí)時數(shù)據(jù)到指定的服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)分析及控制，手機(jī)APP通過 TCP 協(xié)議訪問服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，確保相關(guān)人員能及時對緊急情況做出處理。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)采用了超聲波進(jìn)行測距，US-100超聲波測距模塊工作電壓為2.4V～5.5V，靜態(tài)電流為2mA，工作溫度：-20～+70度，輸出方式：電平或UART，感應(yīng)角度：小于15度，探測距離：2cm～450cm，探測精度：0.3cm+1%，距離值為 （高電平持續(xù)時間*340m/s）/2。采用GPS定位獲取位置信息，U-blox NEO-6 GPS模塊工作電壓為3.3V～5V，靜態(tài)電流為40mA，默認(rèn)波特率：9600，輸出功率：1Hz，定位精度最高2.5m。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由主控制器、超聲波測距模塊、GPS模塊、GPRS模塊、語音合成模塊、語音識別模塊、報(bào)警模塊、PC機(jī)服務(wù)器、手機(jī)APP構(gòu)成。通過主控制器控制超聲波測距模塊實(shí)時對行走路線路障測距并進(jìn)行語音提醒，可通過語音識別設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，每隔一段時間讀取GPS模塊位置、時間等信息并通過 GPRS 通信將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器，服務(wù)器進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)分析及控制，手機(jī)APP通過 TCP 協(xié)議訪問服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)總體框圖如圖 1 所示。

3.1 主控制器

該系統(tǒng)采用STM32F103X單片機(jī)作為主控制器，STM32F103X采用標(biāo)準(zhǔn)的ARM Cortex—M3內(nèi)核，體積小，耗電低，工作電壓為2.0～3.6V，最高可達(dá)72MHz的時鐘速度，部分I/O口可允許5V電壓，內(nèi)嵌Flash程序存儲器（最高達(dá)512KB）和RAM數(shù)據(jù)存儲器（最高達(dá)96KB），內(nèi)部包含RC時鐘振蕩器，可以省略外部外部振蕩器，接口豐富，成本低，可以替代低端單片機(jī)，以提高產(chǎn)品的性能和檔次。

3.2 GPS模塊

U-blox NEO-6 GPS模塊系列尺寸微小，實(shí)現(xiàn)了定位引擎的高超性能，專為低功耗和低成本而設(shè)計(jì)，具有針對低功耗應(yīng)用的突破性智能電源管理功能。

3.3 GPRS通信模塊

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱。GPRS使得用戶能夠在端到端分組傳送模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于無線資源采用動態(tài)分配方式，用戶雖然與網(wǎng)絡(luò)一直連接，但僅當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送時才占用無線信道資源。與原有的電路型業(yè)務(wù)相比較，用戶使用GPRS業(yè)務(wù)將具有建鏈時間短、數(shù)據(jù)傳輸速率高（9.05～171.2kbit/s）、費(fèi)用低等特點(diǎn)。

3.4 超聲波測距模塊

US-100 超聲波測距模塊可實(shí)現(xiàn)2cm～4.5m 的非接觸測距功能，擁有2.4～5.5V 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行校正，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

3.5 語音合成模塊

SYN6288語音合成模塊是一款性價比更高，效果更自然的一款中高端語音合成芯片。SYN6288通過異步串口（UART）通訊方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音（或TTS語音）的轉(zhuǎn)換；支持 GB2312、GBK、BIG5 和 UNICODE 內(nèi)碼格式的文本；具有智能的文本分析處理算法，可正確識別數(shù)值、號碼、時間日期及常用的度量衡符號。

3.6 語音識別模塊

LD3320語音識別模塊是集成了語音識別處理器和外部電路，包括AD和DA轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)、聲音輸出等接口，且不需要外接任何的輔助芯片如Flash、RAM等，在現(xiàn)有的產(chǎn)品中直接集成即可實(shí)現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話功能，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的，因而滿足了小體積、低功耗和可通用的要求。

3.7 PC機(jī)服務(wù)器

主要實(shí)時接收及儲存導(dǎo)盲系統(tǒng)的位置和時間信息并在地圖上顯示，且可以選擇顯示或隱藏其行進(jìn)軌跡。當(dāng)離開所設(shè)置的地理圍欄范圍或接收到導(dǎo)盲系統(tǒng)發(fā)來的報(bào)警時，向手機(jī) APP發(fā)出警報(bào)。

3.8 手機(jī) APP 模塊

編寫手機(jī)應(yīng)用程序，可以隨時從服務(wù)器獲取導(dǎo)盲系統(tǒng)的位置和時間信息并在地圖上顯示；當(dāng)離開所設(shè)置的地理圍欄范圍或接收到服務(wù)器發(fā)來的報(bào)警時，手機(jī)發(fā)出警報(bào)。

3.9 其他輔助電路

硬件設(shè)計(jì)還包括其他的輔助電路，如電源開關(guān)電路、變壓電路、報(bào)警電路、驅(qū)動電路等。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用C語言設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了主程序、超聲波測距模塊、讀取并解析GPS定位信息模塊、與服務(wù)器數(shù)據(jù)通信模塊、語音識別模塊、語音播報(bào)模塊、報(bào)警模塊；采用SVM框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行服務(wù)器端開發(fā)，以WEBGIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子圍欄和鷹眼軌跡等多項(xiàng)功能，利用HTML5設(shè)計(jì)呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上；采用JAVA語言編寫手機(jī)APP。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的GPS定位智能導(dǎo)盲系統(tǒng)數(shù)據(jù)量龐大，因此難點(diǎn)主要是對各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)處理，包括GPS數(shù)據(jù)解析、GPRS的正確傳輸、手機(jī)端和PC端的數(shù)據(jù)保存、地圖顯示及報(bào)警等。系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于可以讓盲人隨時隨地的監(jiān)測自己位置并進(jìn)行引導(dǎo)行進(jìn)。可以讓指定終端（APP）與上位機(jī)獲取其當(dāng)前位置等信息，在地圖上顯示并記錄，確保相關(guān)人員能及時對緊急情況進(jìn)行處理。由于盲人喪失了視覺，無法完成常規(guī)的人機(jī)交互，盲人可以通過語音方式對下位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，下位機(jī)也做出相應(yīng)的處理與反饋，通過簡單的操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。此系統(tǒng)切實(shí)的解決了現(xiàn)在社會中存在的一些問題，對盲人的便利生活和人身安全提供重要保障具有實(shí)際的價值和意義。

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