基于物聯網的尋杖與避障智能導盲佩戴系統

浙江師范大學數理與信息工程學院 楊思靜 陳本初 肖凡玥 彭保進

設計了一種新型的導盲佩戴裝置。采用ARM公司Cortex-M3架構的STM32F103C8T6作為中央處理器，配備紅外避障、GPRS短信、nRF24L01無線傳輸、水位傳感、尋杖提示、震動報警六大核心模塊搭建該智能導盲佩戴系統的硬件平臺。實現了對目標場景的辨別，最終通過盲人頸間佩戴主體部分的震動電機震動提醒盲人避障；利用GPRS發送求救或出行信息至盲人監護人，從而能夠有效避免危險的發生；利用nRF24L01無線傳輸幫助盲人根據蜂鳴器聲音來尋找手杖。利用系統副體——導盲杖底部的水位傳感器來幫助盲人避水。系統測試結果表明，在盲人胸前上下發散角為21度、左右發散角為12度的范圍內，本產品能夠精準避障，及時反饋，使盲人擁有“視”的知覺，及時避免潛在危險的發生。設計的產品成本低、重量輕、功能豐富實用，有推廣應用價值。

引言

據世界衛生組織統計，截至目前全球約有盲人7800萬，其中90%的盲人生活在發展中國家，中國現有盲人數量占據世界盲人總數的18%，多達1400萬。除此，我們身邊還有很多低視力人群。近年來，視障人群的助行設備也被人們廣泛關注。另一方面，目前市場上出現一些導盲產品，如導盲杖、導盲犬等。存在功能單一、價格昂貴且壽命較短等缺點。對于盲人來講，產品使用的愉悅感要體現在易用性、易學性、高效率和及時性。穿戴式產品成為我們首選目標。

針對上述問題，本文設計了一款基于STM32控制，利用GPRS、nRF24L01無線通信及紅外避障等技術的智能導盲佩戴器。本設計著重于解決使用者對前方上下發散角為21度，左右發散角為12度范圍內的障礙物，因此本設計的紅外探測器的探測范圍會隨使用者頭部變化而變化，且探測距離1m內可調。通過胸前的震動報警模塊避障提示，精確到百分位。該系統還兼有避水、尋杖、GPRS短信等多項功能。

1.智能導盲佩戴系統結構總體設計

在便攜式產品設計中成功的功能設計需要對人類行為與產品的使用特性作科學地分析，從盲人的生理與心理為目標進行研究，設計出一款便攜式導盲器。其中探測部分由紅外探測器和水位傳感器兩個部分組成。前者位于系統的主體部分，將探測到的光信號轉換成電信號傳輸至STM32F103C8T6單片機，經判別比較并通過振動提示避障。后者位于系統的副體——導盲杖底部，將探測到的信號傳至STM32F103C8T6單片機，經過AD轉換、判斷比較并通過手杖的杖頭部分振動提示前方地面有積水。

無線傳輸部分由GPRS模塊和nRF24L01模塊組成。使用者按下胸前主體部分求助按鍵，單片機控制GPRS給預先設定好的手機號碼發送中文或者英文消息；nRF24L01通信模塊分為發送和接受模塊，發射模塊位于，接收模塊位于副體，副體上的核心處理器接收到“尋杖”命令，位于副體的震動馬達發出聲響使用者根據聲音來判斷遺忘手杖的距離和方向。

2.智能導盲佩戴系統硬件設計

2.1 紅外避障模塊設計

發射管一直在發射調制紅外光，當前面的障礙物越近，反射回來的紅外光越強。通過發射端發射出紅外線的光束當前面一定的范圍內有障礙物,這時候紅外線被反射回來，這個時候接收端通過單片機處理后的狀態就變為“1”,單片機控制完成相應的避障策略。

由于紅外光在發出時經過調制，該傳感器對環境光有一定的抗干擾性。雖然這種方法是探測的是反射光的強度，會受目標物體表面反射率的影響，但是生活中絕大部分物體為灰體，經過系統對黑白灰三種障礙物避障測試，避障精準可靠。

2.2 無線通信傳輸模塊設計

2.2.1 GPRS通信

GPRS通信技術傳輸速率可達115Kb/s，在4G網絡下傳輸速率將會更高；具備實時在線功能；與GSM網絡相比其安全性更高。作品中盲人與家人之間的通信采用GPRS的無線通訊方式。

發送：在接收到盲人特定的指令信息后，用串口函數向A6模塊發送串口字符串數據。首先使用多個AT查詢指令，檢測A6是否已進入正常工作狀態；其次，通過"AT+CMGF=手機號碼 "，設置短信發送格式為PDU中文格式。接著，設置發送對象的手機號碼，最后設置短信內容，設置短信內容并包括結束符。4個步驟完成短信的發送。再進入準備工作狀態。

接收：GPRS和STM32連在一起，當盲人按下指令“求助”按鍵，STM32給其發送消息，GPRS會識別STM32發送來的文本信息，即收到的短信的信息。當短信發送成功時，GPRS模塊振動提示。

2.2.2 nRF24L01通信

基于“尋杖”功能的簡易型且該芯片具備數據傳輸速率可為1Mbps—10Mbps。輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。工作在發射模式下發射功率為0dBm時，電流消耗為11.3mA，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。我們選擇其作為實現“尋杖”功能的無線通信模塊。

nRF24L01通過SPI接口與單片機通信，所有配置字通過SPI接口送給nRF24L01，SPI接口的工作方式通過SPI指令設置。在盲人按下頸間的“尋杖”按鍵之后，STM32通過SPI接口發送數據給裝在盲人手杖上的nRF24L01數據，盲人根據蜂鳴器的響度來判斷手杖的方向和距離從而找到手杖。

2.3 振動報警模塊設計

雖目前大多數盲人產品設計加入了聽覺元素，但觸覺也作為感知事物的主要途徑，逐漸成為本世紀設計新的探索方向。該導盲器的報警模塊有兩部分組成，蜂鳴器報警和振動報警。系統采用的是微型手機用扁平式振動馬達，工作電壓3.3V，成本低、體積小、功耗低，適用于便攜式系統中。

2.3.1 主體避障提醒

紅外測距模塊檢測到離障礙物距離進入設定值→單片機檢測到它的一個引腳輸出跳變→單片機驅動頸間震動電機震動提醒。

2.3.2 副體避水提醒

盲人判斷為晴天時，按下位于杖頭的開關，位于拐杖底部的水位傳感器檢測到前方地面有水，杖頭的震動馬達震動提示使用者避水。

2.4 電源模塊設計

與便攜式電子產品小型化相適應的新型電池產業獲得了前所未有的發展機遇。本文所述系統采用9V堿性電池和自己設計的寬輸入高效率轉3.3V/5V的DC-DC降壓穩壓模塊構成。5V給STM32單片機和GPRS模塊供電；3.3V給nRF24L01通信模塊、紅外探測器和水位傳感器供電。

3.智能導盲佩戴系統軟件設計

本項目采用紅外避障模塊以及STM32單片機作 為主控MCU，輔助以GPRS、nRF24L01通信模塊，構成一個完備的避障導盲及外部電路控制的系統。

4.系統測試結果

模擬盲人行走情景搭建的實驗裝置測試系統避障的可靠性，將獲得的數據通過MATLAB分析得到導盲器對黑白灰三色障礙物避障的可靠性和發散角大小。

在避障距離調好為80cm時。隨著系統測試次數的增加，實際避障距離保持在82—86cm之間，人的正常反應時間為0.15至0.4s，步行速度為1m/s，使用者避障的時間是足夠的。日常生活中常見的物體為灰體，經過測試和數據整理，對于灰體，導盲系統避障的發散角為上下為21度，左右為12度；對于白體，導盲系統避障發散角為上下12度，左右14度。在紅外探測器探測到障礙物時，胸前的震動馬達震動提醒盲人及時采取避障措施。

5.結束語

隨著信息化時代的發展，可穿戴設備在消費者中的滲透率在升高，智能穿戴設備從概念設計走向商用化。而對盲人的關心，使得我們的社會責任感增強，用知識服務社會。本文基于STM32集GPRS短信、nRF24L01無線傳輸、水位傳感、尋杖提示、震動報警六大核心模塊設計的智能導盲佩戴系統，實現了對目標場景的辨別，最終通過盲人頸間佩戴主體部分的震動電機震動提醒盲人避障；利用GPRS發送求救或出行信息至盲人監護人，從而能夠有效避免危險的發生；利用nRF24L01無線傳輸幫助盲人根據蜂鳴器聲音來尋找手杖。利用系統副體——導盲杖底部的水位傳感器來幫助盲人避水。滿足了用于攜帶便利的要求，并且按鍵少，易于操作。