基于單片機技術發展下的導盲鞋設計研究

安良帥 董碩 葉昊坤 趙芳華

摘 要：設計了一款智能導盲鞋，盲人可以與導航鞋進行簡單的交流，實現盲人定位與避障。近幾年來，單片機技術發展越來越成熟，以單片機為核心的技術可以為盲人提供很多方便。導盲鞋與手機APP來連接，家屬也可在APP查看使用者所處的位置及狀態，為盲人建立電子圍欄，避免盲人走丟。

關鍵詞：導盲鞋;超聲波測距;GPS定位;APP連接

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.01.144

1 前言

近年來，單片機技術的開發與應用為盲人導盲系統提供了新的研究方向，以單片機技術為基礎的導盲系統也變得越來越重要。據衛生部統計，中國的盲人達1400萬，數量列居世界之首。每年，我國新增盲人和弱視群體約 45 萬，隨著該群體的數量逐年增加，他們的出行問題也逐漸凸顯出來，對盲人產品的設計也提出更高的要求。

2 盲人情感特征及出行需求分析

正常人面對黑暗尚且恐懼，失去視覺感知能力的盲人更容易受到未知世界的威脅，無法準確識別環境，嚴重缺乏安全感。根據馬斯洛需求層次理論，安全需要是僅次于生理需要的基本需要。盲人導航設計應盡可能多的給予可靠的外界信息，來提高盲人安全感，從而減少盲人內心的恐懼與慌亂。

3 導盲鞋模塊功能介紹及各模塊安放位置

本款導盲鞋是一種綜合超聲波測距、坡面角度探測、GPS定位、語音震動提示等功能的新型導盲鞋，能夠為盲人提供準確的周圍環境信息，保障使用者安全。在單片機選擇上，采用性價比較高的STM32系列作為主控芯片，能夠為系統提供極高的處理速度和豐富的可調用資源。

3.1 超聲波測距模塊

導盲鞋通過傳感器檢測與障礙物之間的距離，實現探測功能。目前，普遍采用的測距傳感器是紅外傳感器和超聲波測距傳感器。紅外傳感器體積較小但成本高昂;超聲波傳感器體積較大但成本低廉。超聲波傳感器測量距離普遍比紅外傳感器的遠，最小測量距離較小，對于導盲鞋的應用場合更為適宜。考慮到室外環境溫度變化比較劇烈，經過反復對比，最終決定采用具有溫度補償模塊的超聲波傳感器US-100超聲波模塊。

3.2 坡面角度探測模塊

對于盲人而言，坡路有較高的危險性，因此需要及時提醒盲人注意。因此可以通過測量坡面與水平面之間的夾角進行判斷坡度，在夾角變化Δα超過一定閾值后，鞋內的震動模塊發生震動，同時語音模塊發出提醒，從而保證安全。考慮到在本產品中，角度傳感器的目的是測量對地水平面的角度，因此可采用小巧靈活的陀螺儀[1]測量鞋底部的角速度，當角速度過大時，即可判斷為夾角變化超過閾值，引發警報。

3.3 GPS定位模塊

GPS定位模塊將當前地理位置信息以文本格式傳遞給CPU ，然后CPU將會控制語音提示模塊，發出提示信息，提供對使用者的位置提示參考。產品中警告提示部分包含語音提示方式和震動提示方式。并在主控芯片內置機器學習算法，GPS模塊采集使用者經過路線，通過訓練，為使用者提供一定的路線規劃服務[2]。

3.4 各模塊安放位置設計

超聲測距模塊安裝在導盲鞋的前端，負責測量與前方突出部分的的距離。GPS模塊需要良好的信號，盡量避免覆蓋材料對信號的衰減，安裝在鞋的表面部位。陀螺儀安裝在導盲鞋的底部，在不同的位置測得的角速度會有所不同，通過陀螺儀布置的位置和算法參數、閾值，實現坡路檢測。

4 “盲行APP”設計

“盲行APP”分為兩個用戶終端，一個終端為盲人終端，另一個為家屬終端。盲人終端具有語音助手功能，盲人可以與語音助手進行簡單的交流，來獲取地理位置或其它信息。家屬終端可以通過APP實時查看使用者位置，家屬也可在APP上建立GPS區域圍欄[3]，一旦檢測到超出區域標記范圍，導盲鞋便會發出提醒，APP也可在使用者走失后為尋找使用者提供幫助。為使用者建立雙重安全提供保障。

5 結語

在導盲鞋外觀設計方面，在滿足使用者的功能需求之外，本著的“功能決定形式”的設計原則和“以人為本”的設計理念[5]，以穿戴簡單，外形美觀為主要設計方向，辨識度高為輔助設計方向。在導盲鞋功能方面，盡可能多的給予盲人可靠的外界信息，來準確的識別周圍環境，來提高盲人的安全出行系數和安全感。希望本設計能夠在盲人心中點燃一盞明燈，擺脫外出道路上的陰影，成為盲人探索世界的安全保障。

參考文獻：

[1]季鵬飛，朱燕，程傳統，杜曉.基于STM32的兩輪自平衡小車控制系統設計[J].電子科技，2014，27（11）：96-99+105.

[2]陶卿，高乾坤，姜紀遠，儲德軍.稀疏學習優化問題的求解綜述[J].軟件學報，2013，24（11）：2498-2507.

[3]Sainarayanan G，Nagarajan R，Yaacob S.Fuzzy imageprocessing scheme for autonomous navigation of human blind[J].Applied Soft Computing，2007，7（01）：257-264.

[4]劉松斌，王海星，李碩恒.基于STM32的直流電機PWM調速系統[J].化工自動化及儀表，2016，43（08）：834-837.

[5]Jermy Aynsley.Pioneers of Modern Graphic Design[M].London：Mitchell Bezley，2004：164-165.