基于STM32微處理器及GPS的智能導盲手杖的設計

西安科技大學電氣與控制工程學院 齊澤宇 郝兆明 安 超 寇 堅 肖 龍 胡 浩

引言

中國盲人的數量現在已經達到600多萬。在過去，盲人普遍依賴手杖、導盲犬或者他人幫扶進行日常的生活[1-3]。但隨著城市的規劃密集化，城市布局和道路規劃的復雜度增加，這種方法已經不能滿足盲人的日常生活。所以加大對盲人的關注，提高盲人的生活質量是我們急需解決的問題[5-6]。盲人既作為我國普通人民中的一員，又是一個特殊群體，他們由于先天或后天的生理缺陷在日常生活中會遇到更多不方便和安全隱患。本文基于STM32微處理器及GPS的智能設計了一種智能導盲手杖。該設計可極大地減輕盲人的行走不便與安全隱患，降低且避免因盲人不辨障礙而導致的事故的發生。

1.設計原理

圖1為設計系統的整體框圖，智能導盲手杖只要包括了五個部分，主控區由STM32單片機控制，檢測模塊作為手杖的“眼睛”主要為超聲波模塊，其中包含有超聲波發射器、超聲波接收器、比例放大電路等來收集信號，從而充當了盲杖的眼睛。檢測設備通過對障礙物分析將信號傳至控制區，同時GPS和無線模塊將信息通過無線傳輸傳遞至控制區，通過設計的語音提示模塊可對障礙物和位置信息傳送個手杖使用者。

圖1 設計系統整體框圖

2.系統總體方案設計

2.1 系統的硬件結構組成

智能手杖主要由兩部分組成，拐杖本身構造和硬件電路。智能手杖內部中空，質量輕，簡單便捷。硬件電路包括主控電路及各個功能模塊。主要有電源電路、定位模塊信息提示模塊、檢測模塊及信息處理器部分等。手杖硬件電路總體結構圖如圖2所示。

圖2 智能導盲手杖的硬件結構組成圖

2.2 檢測模塊設計方案

采用超聲波模塊，能發出或接收超聲波。系統的單片機首先測出超聲波從發射到遇到被測物返回所經歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到2倍的手杖與被測物之間的距離[7-8]。當測得的距離小于設定值時，蜂鳴器鳴響發出警報提示。

圖3 超聲波測距電路

2.3 GPS模塊

GPS模塊采用ATK-NEO-6M模塊，ATK-NEO-6M模塊是ALIENTEK生產的一款高性能GPS模塊，模塊核心采用UBLOX 公司的NEO-6M模組，具有50個通道，追蹤靈敏度高達-161dBm，測量輸出頻率最高可達5Hz。ATK-NEO-6M模塊自帶高性能無源陶瓷天線（無需再購買昂貴的有源天線了），兼容3.3V和5V單片機系統，并自帶可充電后備電池（支持溫啟動或熱啟動）。

2.4 GSM 短信模塊

本設計選用的是A7 GSM GPRS GPS模塊三合一模塊，A7中的GSM模塊是一個支持中文短信息的工業級GSM模塊，可以傳輸語音和數據信號，支持Text和PDU格式的SMS，其數據接口通過AT命令實現雙向傳輸指令和數據，可選波特率為 300bps～115kbps。該系統波特率設置為19.2 kbps，短信模式采用PDU模式。A7模塊的原理圖如圖4所示。

2.5 語音模塊

采用模擬SPI接口同ISD1820進行數據傳輸;同時將片選 CS、主機輸出/從機輸入的信號線MOSI、串行時鐘 SCLK 分別接在單片機P1.1、P1.2、P1.3口。ISD1820語音芯片的OUT音頻集成功放，驅動揚聲器放音[9]。如圖5所示。

圖4 A7模塊原理圖

圖5 語音模塊

2.6 系統軟件設計

系統的軟件設計采用調用庫函數，可以大大提高程序編寫時的效率。主程序首先對系統初始化，然后循環調用超聲波發射子程序，延時程序，超聲波測距子程序，語音提示子程序， GPS 定位子程序，按鍵檢測子程序等。其中，超聲波發射子程序的主要功能是利用單片機的IO口產生一個頻率為40KHz、占空比為40%的方波。然后延時20ms（用于等待接收端應答）的方式，保證每次收到的回波都是最近一次發射的脈沖反射回來的。 測距回波時間計算由單片機控制，一旦查詢到該引腳由高到低，則表明接收到了本次發射返回的超聲回波，而距離的計算則通過定時器中存儲的數據進行運算得出；當檢測到短信發送按鍵按下時，調用 GSM 發送程序，將盲人的位置信息的幫助短信發送到指定手機號中。當按下一鍵找回鍵時，手杖就可以發出聲音，盲人可以順利找到手杖。

3.結語

本文介紹一種基于基于STM32微處理器及GPS的智能導盲手杖的設計，該手杖包括了超聲波及紅外檢測功能，同時具有精確的GPS定位和無線傳輸功能，在智能導航以及智能定位方面具有廣闊的市場前景，可謂眾多盲人的生活提供更多的便利。

[1]方仁杰,朱仁兵.基于GPS定位與超聲波導盲拐杖的設計[J].計算機測量與控制,2011(5):24-27.

[2]杜新珂.超聲波測距在智能導盲系統中的應用[D].南京:南京理工大學,2012.

[3]姜瑾.具有定位導航和障礙規避功能的電子盲杖的設計[D].南京:北方工業大學,2013.

[4]劉基余.GPS衛星導航定位原理與方法[M].科學出版社,2003.

[5]劉基余,李征航.全球定位系統原理及其應用[M].測繪出版社,1993.

[6]王惠南.GPS導航原理與應用[M].科學出版社,2003.

[7]王自強,楊景常.基于單片機設計的超聲波測距系統[J].四川工業學院學報,2004,S1:27-29

[8]趙琳.衛星導航系統[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2004.

[9]李群芳.單片機微型計算機與接口技術[M].北京:電子工業出版社,2001.