多功能智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)研究

劉春　陳志濠　賀桂嬌

摘要：文章主要介紹了多功能智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的基本功能和原理以及具體實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)。多功能智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)采用STM32為主控制芯片，外圍添加了超聲波測(cè)距、語音合成GSM，GPS，GPRS以及藍(lán)牙傳輸?shù)仍O(shè)備進(jìn)行總體調(diào)度控制。采用了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行總體調(diào)度，融合多個(gè)傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位避障，精確度大大提高，而且該設(shè)計(jì)采用的設(shè)備成本較低，易于推廣，具有較高的商業(yè)價(jià)值與社會(huì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：STM32；GSM；GPS；GPRS；定位避障

1基本思路及技術(shù)指標(biāo)

如圖1所示，針對(duì)盲人朋友在日常生活中所遇到的各種問題，我們團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的多功能智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的基本思路是，通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者周圍障礙物的探測(cè)能力，并將距離信息通過語音信號(hào)發(fā)送至藍(lán)牙耳機(jī)告知使用者。此外，當(dāng)使用者急需告知親友自己當(dāng)前位置時(shí)，GPS模塊會(huì)將使用者目前所在位置信息經(jīng)GPRS模塊以短信的方式發(fā)送至親友手機(jī)，以便親友尋人。

該設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)過程中主要考慮的技術(shù)指標(biāo)有：超聲波測(cè)距的范圍與精確度以及對(duì)較窄通道的準(zhǔn)確判定，GPS定位的精確度，語音模塊對(duì)信號(hào)處理的清晰程度，語音識(shí)別模塊以及藍(lán)牙模塊與藍(lán)牙設(shè)備的傳輸距離。

2設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的功能是在手杖開關(guān)開啟后，其超聲波測(cè)距模塊工作，對(duì)周圍障礙物進(jìn)行探測(cè)，并根據(jù)回波到達(dá)的時(shí)間利用時(shí)間差測(cè)距公式：

距離=聲速×回波時(shí)間/2

得到障礙物的距離，并實(shí)時(shí)發(fā)送給主控單元。

超聲波探測(cè)網(wǎng)絡(luò)及基于數(shù)據(jù)融合思想的障礙物判定算法，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)使用者前方3米以內(nèi)的障礙物的大范圍探測(cè)，同時(shí)也能保證在遇到較窄通道時(shí)不會(huì)因?yàn)樘綔y(cè)范圍較大，使得通道被周圍的障礙物回波所淹沒，從而實(shí)現(xiàn)在每個(gè)探測(cè)器探測(cè)范圍最大的情況下，不影響對(duì)較窄通道的準(zhǔn)確判定。

隨后，由STM32構(gòu)成的主控單元對(duì)距離信息進(jìn)行判斷，當(dāng)達(dá)到預(yù)警門限值時(shí)，主控單元給語音模塊發(fā)送指令，使其將主控單元傳送來的障礙物距離信息經(jīng)過語音處理，再通過藍(lán)牙模塊向外接藍(lán)牙耳機(jī)，實(shí)時(shí)播報(bào)距離變化信息，而大于預(yù)警門限值時(shí)，語音處理模塊不工作，系統(tǒng)不進(jìn)行播報(bào)，保持靜默運(yùn)行。

此外，GPS模塊實(shí)時(shí)對(duì)使用者位置信息進(jìn)行定位，當(dāng)使用者想要知道當(dāng)前位置時(shí)，主動(dòng)觸發(fā)播報(bào)開關(guān)，語音模塊就會(huì)生成語音片段，并通過藍(lán)牙設(shè)備對(duì)使用者進(jìn)行位置信息播報(bào)。

而且如果使用者急需與家人或朋友聯(lián)系時(shí)，可以通過GPRS模塊，將目前使用者所在位置信息，通過短信的方式發(fā)送到預(yù)存的家人的手機(jī)上，以方便家人朋友對(duì)其進(jìn)行尋找。

3設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)以上功能，本設(shè)計(jì)將需要用到的功能模塊如下：

（1）超聲波測(cè)距模塊；（2）藍(lán)牙無線通信模塊；（3）GPS定位模塊；（4）GPRS通信模塊；（5）語音播報(bào)位置信息模塊；（6）SD卡讀取數(shù)據(jù)；（7）語音識(shí)別模塊。

該設(shè)計(jì)總體系統(tǒng)構(gòu)成框架如圖2所示。

4作品創(chuàng)新點(diǎn)

本作品將嵌入式技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)，信號(hào)處理，衛(wèi)星定位以及無線通信的熱門技術(shù)融合并應(yīng)用于特殊人群設(shè)備中，這本身就是一種創(chuàng)新，而且技術(shù)含量高，具有良好的市場(chǎng)前景與應(yīng)用價(jià)值，更具有一定的社會(huì)價(jià)值。

此外根據(jù)多次試驗(yàn)的結(jié)果，自行設(shè)計(jì)并組建了由4個(gè)超聲波傳感器組成的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，融合多組數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的探測(cè)。同樣，該網(wǎng)絡(luò)的探測(cè)利用數(shù)據(jù)融合算法，自行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)，能夠提高探測(cè)的準(zhǔn)確度、對(duì)前方較窄通道也能進(jìn)行很好的判定，這種結(jié)構(gòu)和判斷算法也是本次作品的核心創(chuàng)新點(diǎn)之一。

GPS模塊、GPRS模塊以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的加入，使得整個(gè)作品的功能進(jìn)一步加強(qiáng)，更加有助于改善盲人朋友的生活狀況。例如在使用者遇到緊急情況需要讓家人朋友知道自己所在位置時(shí)，手杖可以通過GPS及互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行定位，并通過GSM模塊將位置信息以短信的方式發(fā)送至親人手機(jī)，從而使盲人朋友在遇到緊急情況時(shí)多了一份安全保障。

為了使整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高和穩(wěn)定性更好，我們將為整個(gè)作品搭建實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣可以使整個(gè)手杖的各個(gè)功能模塊運(yùn)行的效率、穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性大幅度提升，手杖的實(shí)時(shí)性也能得到很好地提高。

5可改進(jìn)的地方

到目前為止，以上所述的模塊及功能，各個(gè)模塊的算法與程序的設(shè)計(jì)和編寫正在調(diào)試。預(yù)期的單獨(dú)功能均已實(shí)現(xiàn)，作品的外觀設(shè)計(jì)圖也已經(jīng)基本完成。本文可以在上述功能的基礎(chǔ)上融合和添加更多的熱門技術(shù)與功能模塊，使得其功能可以得到更大的擴(kuò)充。

本設(shè)計(jì)對(duì)下一步作品需要改良的方面進(jìn)行了討論和分析，并達(dá)成了以下幾點(diǎn)改進(jìn)和完善的方案，以待日后完善：

（1）進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)音識(shí)別功能，通過對(duì)使用者的聲音進(jìn)行判斷來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以及各個(gè)模塊的開關(guān)；（2）總控及信號(hào)分析環(huán)節(jié)的進(jìn)一步算法優(yōu)化，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性；（3）根據(jù)使用者身高，可以既設(shè)計(jì)成可伸縮方式（3節(jié)）以適應(yīng)不同身高的使用者，以及便于攜帶；（4）考慮產(chǎn)品防水特性；（5）盡量減輕重量，尤其是電源部分重量；（6）提高產(chǎn)品強(qiáng)度，例如防碰撞能力，使得盲人朋友傳統(tǒng)敲擊探測(cè)方式與超聲波測(cè)距能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)。

6結(jié)語

由于還存在諸多需要完善的地方，這也是團(tuán)隊(duì)未來的研究和奮斗目標(biāo)。本系統(tǒng)已經(jīng)完成了各部分功能模塊的設(shè)計(jì)，整合后的多功能智能導(dǎo)盲手杖系統(tǒng)的調(diào)試模型也已建立。最終將把各個(gè)功能模塊集成為PCB電路板上的基本單元，來實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的集成，為了實(shí)現(xiàn)功能調(diào)試，本文專門印制了調(diào)試用電路板，期望為改進(jìn)該系統(tǒng)提供參考。