導盲系統的設計及實現

林君萍

摘要：目前多數的視力患者通過使用盲人杖來輔助獨立行走，但盲人杖的功能單一，且存在諸多安全隱患，針對以上問題文中提出的導盲系統在普通盲人手杖的基礎上，利用紅外測距原理，識別周圍是否有物體，利用語音播報模塊發出語音信號提示，利用溫度傳感器感應盲人手心位置溫度變化輔助盲人找回導盲杖，通過GPS定位系統，有效地防止盲人走失，實現對盲人位置的實時監控，有效的解決盲人獨立安全出行的問題。

關鍵詞：導盲系統;紅外測距;語音播報;GPS定位

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0024-05

Abstract：At present， most vision patients use blind stick to assist independent walking， but the functions of blindstick is single， and there are manypotentialsecurityrisks. In response to the above problems， the system for assisting blind people proposed in this paper uses the principle of infrared distance measurement based on the ordinary blind cane to identify whether there are objects around， uses the voice broadcast module to send out voice signal prompts， and uses a temperature sensor to sense the temperature change of the blind person's palm to assist the blind people in finding stick， through the GPS positioning system， effectively prevents the blindperson from getting lost， realizes real-time monitoring of the position of the blind people， and effectively solves the problem of independent and safe travel of the blind people.

Key words：guidance system for blind people;infrared distance;voice broadcast;GPS positioning

據世界衛生組織統計，目前全球共有盲人約4500萬，其中90%生活在發展中國家，另有1.8億人深受視力障礙的影響[1]。目前大部分的視力殘疾患者都用普通的盲人杖來輔助獨立行走，但盲人杖的功能單一，且存在諸多的安全隱患，同時無法實現對周圍大范圍內的障礙物地探測等。于是人們考慮通過訓練犬類作為導盲犬，導盲犬在很大程度上改善了盲人的出行困難問題，但是訓練一只合格的導盲犬需要花費大量的時間與經濟成本。2006年在中國大連成立了我國第一家也是目前為止唯一的一家非營利的導盲犬培訓機構，機構成立8年，畢業交付使用的導盲犬僅80只，導盲犬的培訓工作步履維艱，遠遠無法滿足供求關系，更無法實現普及。因此設計出一款使用方便，價格低廉，能有效彌補導盲犬不足的導盲系統具有十分重要的意義。

1 系統硬件設計

系統主要通過紅外線傳感技術，在盲人前方和左右方發射紅外線信號。在遇到物體時，就會反饋目標方向的信號，經過單片機處理信號后，用語音芯片發出警告。盲人再根據提示做好避障準備。利用GPS模塊采集實時定位信息，在用GSM模塊將定位信息發送給盲人的家人，達到防走失的作用。

以AT89S52和STC12C5A60S2單片機為控制核心，通過夏普GP2Y0A710K0F紅外線測距模塊和ISD1420語音模塊實現測距語音播報功能，通過GPS定位模塊采集信息并利用GSM模塊發送短信，實現對盲人位置的監控。

硬件電路的設計主要分為兩個部分：一、紅外測距及語音播報主控模塊：用AT89S52單片機將紅外測距模塊、語音播報模塊、DS18B20溫度傳感器模塊電路相連接，紅外測距及語音播報主控模塊原理框圖如圖1所示;二、定位模塊：用STC12C5A60S2單片機將GPS定位模塊和GSM模塊相連接，定位模塊原理框圖如圖2所示。紅外線測距通過紅外線傳感器采集，AT89S52單片機將所采集的數據通過ISD142語音模塊進行播報，用DS18B20作為溫度傳感器來驅動蜂鳴器報警來判斷導盲杖是否脫離使用者。用ZTK-NEO-6M采集用戶位置數據給STC12C5A60S2單片機，STC12C5A60S2單片機通過串口通信單元控制SIM300模塊發短信，讓盲人的家人能及時掌握盲人的地址信息以防止意外的發生。具體實現功能如下：

（1）通過紅外線測距模塊可以檢測出前方、左方、右方三個方向所傳送來的障礙物的信息。

（2）通過ADC0832將模擬數據轉換成數字數據，用中央控制器控制ISD1420實現語音的播報。

（3）通過DS18B20采集溫度，用控制器設置溫度門限，并控制蜂鳴器報警。

（4）通過STC12C5A60S2控制GPS定位模塊采集實時的經緯度信息。

（5）通過STC12C5A60S2控制GSM模塊與用戶指定的手機進行通信，GSM模塊就可以定時將采集到的經緯度信息發送至用戶指定的手機，并且可以通過手機發送短信內容來控制GSM模塊馬上返回一條位置信息，在真正意義上實現盲人的家人對盲人位置的監控。

2 硬件電路設計

本設計根據不同的模塊不同的功能及硬件對串行口不同的需求，選用了不同的主控芯片，采用了STC公司的STC12C5A60S2和Atmel公司的AT89S52單片機。

2.1 STC12C5A60S2主控電路設計

設計采用STC12C5A60S2作為GPS數據采集和GSM數據傳輸電路的控制器。STC12C5A60S2擁有全雙工串行通信接口，串口1用于GSM模塊與單片機連接，串口2用于GPS模塊與單片機連接。具體主控電路設計如圖3所示，選用了封裝40腳直插式的STC12C5A60S2作為主控芯片。STC12C5A60S2是機器周期為1T的單片機，作為新一代的單片機，比起傳統的8051單片機它的抗干擾性更強、速度更快、功耗更低[2]。該單片機芯片內部集成了一個復位電路，可以同時實現8路信號、40Msps的A/D轉換，有兩個引腳輸出PWM信號;芯片上合成了1280字節的讀寫存儲器;還有兩個時鐘輸出口，P3.4端口作為T0輸出時鐘，P3.5端口作為T1輸出時鐘。

2.2 AT89S52主控電路

設計中采用AT89S52作為紅外線測距語音播報電路的主控制器，主控電路設計如下圖4所示。AT89S52具有256節程序運行空間、8字節閃存，并且支持高達64K的外部存儲擴展。在單獨的芯片上，能嫻熟地處理8位傳輸數據和系統可編程，有很強的靈活性，因此成為大多數應用程序的首選解決方案。

3 系統軟件設計

3.1紅外測距語音播報模塊主程序設計

在系統中，當紅外模塊被啟動后，先對AT89S52單片機進行初始化，然后通過紅外線發射端發射紅外信號，紅外線接收端接收紅外信號，經A/D轉換，將片外的模擬量轉換為單片機能識別的數字量用來判斷距離[3]。距離閾值設置為100cm，當距離大于設置閾值時，紅外發射管重新發送紅外信號;當距離小于設置閾值時，單片機就驅動語音模塊進行播報。紅外線傳感測距模塊主程序流程圖如圖5所示。

3.2溫度傳感模塊程序設計

溫度傳感模塊是采用DS18B20作為溫度采集部分，該傳感器兼具測量和讀取溫度值的功能。測量的溫度用二進制補碼讀數形式表達，經過轉換得到16位的二進制數據。得到的數據存儲在傳感器的兩個8比特的存儲器中，如表1所示。

如圖6所示，在單片機初始化后，設置DS18B20的溫度報警門限，當溫度低于門限時，輸出高電平給蜂鳴器產生報警信號。

3.3 GPS模塊定位數據采集程序設計

3.3.1 GPS數據采集主程序設計

定位模塊主程序主要由程序初始化、GPS數據采集設置、GPS數據處理三個部分組成，具體如下圖7所示，用中斷方式采集數據，數據再通過子程序完成處理，關鍵是對經緯度數據的處理，即GPS信息輸出格式。數據處理后由GSM傳輸位置信息。

3.3.2 GPS信息輸出格式

ZTK-NEO-6M的數據格式為美國信息交換標準碼，由8位二進制數組成，可以徑直使用C語言進行編譯，然后采集到要求的數據。ZTK-NEO系列模塊可以輸出12句語句，分別是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，GPGLL，PGRMV，PGRMT。輸出的12句語句代表的信息是不一樣的。如GPGGA語句中傳送的格式為：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<11>，<12>*hh

傳送的信息說明如下：

$GPGGA：說明GPS定位數據和語句格式;

<1>協調時間，時時分分秒秒格式;

<2>緯度，度度分分。分分分分格式;

<3>緯度半球，北緯N或南緯S;

<4>經度，度度分分。分分分分格式;

<5>經度半球，東經E或西經W;

<6>GPS采集判斷，0表示為方位不能操作，1表示非差分方式能使用方位，2表示差分方式可以使用方位，6表示能行使操作;

<7>使用衛星數量，從00到12;

<8>水平精確度，0.5到99.9;

<9>GPS與海平面的高度差，-10000米到10000米;

<10>大地水準面高度，-10000米到10000米;

<11>差分方式判斷，設置無線電的傳送量;

<12>差分參考基站標號，從0000到1023;

*語句結束標志符;

3.4 GSM模塊無線傳輸程序設計

該導盲系統接通電源開始工作后，會對GSM模塊和單片機程序進行初始化設置。單片機初始化設置包括一個串行端口、標志位、碼元速率和變量參數初始化。GSM模塊初始化設置主要有重啟和關機回應，通過把返回值的頭信息設置成在文本模式下不會詳細顯示的信息，并將短信格式設置為文本模式，同時建立一個串行口中斷用來收集信息[4]。程序設定了可尋址標示的返回參數，使得模塊在面對不同參數時能做出相應的回應。其中可尋址的標志位分布在STC12C5A60S2的位尋址區中2FH和2EH兩個字節單元中，具體如下表2所示。

3.5 GSM模塊無線傳輸程序設計

3.5.1 定時器中斷程序設計

在主程序中，不需要一直發送采集到的經緯度數據，所以對字程序需要選取一個適合的調度時間。本設計中采用定時器中斷程序實現數據的定時發送。當定時器達到180ms，將變量timer_count自加1。當timer_count=1000時，發送標志位置位，所以定時時間為180ms×1000=180s。定時器中斷服務程序主要用于GSM傳輸數據。如圖8所示。

3.5.2 GSM串口中斷程序設計

在GSM串口中斷程序中，先進行初始化，然后將數據從接收緩存區中讀出，判斷是否有收到‘CMTI。若收到‘CMTI，則表示有新的短消息，程序便進行發送讀指令。在讀信息后進行數據處理，數據處理結束后發送刪除短信指令，將短信刪除。若沒有收到‘CMTI，則清空接收緩沖，具體工作流程如圖9所示：

4總結

針對盲人安全出行問題，文中提出的智能拐杖的導盲系統充分利用紅外線測距的原理，發射一定頻率的紅外脈沖信號，在遇到物體會反射回紅外脈沖信號，系統接收并經過處理后，將檢測到的信息通過語音播報反饋給盲人，這樣就能彌補盲人在視覺功能上的缺陷，以此來輔助盲人有效避障。系統還增加了溫度傳感和GPS定位的功能，利用溫度傳感器輔助盲人找回導盲杖防丟失;同時還帶有GPS定位系統，有效地防止盲人走失，并解決盲人安全獨立出行的問題。

參考文獻：

[1] 房東東.雙目視覺導盲系統探索與研究[D].中北大學，2013.

[2] 郭天祥.51單片機C語言教程入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009：166-223.

[3] 燕學智，王樹勛，馬中勝，李辛，等.基于超聲紅外定位導航研制自動引導車輛系統[J].吉林大學學報（工業版），2006，36（2）：242-246.

[4] 皮波，姚振東，廖政炯，等.基于GSM通信技術的遠程監控系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015，15（10）：76-79.

【通聯編輯：王力】