基于北斗和超聲波模塊智能導盲杖*

徐紀明 彭夢蝶 武泱光 胡安正

(湖北文理學院物理與電子工程學院 湖北 襄陽 441053)

1 引言

根據世界衛生組織展示的數據，中國是全世界盲人最多的國家，2010年中國的盲人達到824.8萬人，約占全世界盲人的18%，而且每年都會以10%的速率上漲.盲人在社會生活中有著極大地不便，社會中雖然已有多種解決方案，但其優點不夠突出且缺點較多，如利用導盲犬進行導盲，則需要解決培訓難度大、時間長、成本高、犬的壽命有限等問題；而普通的導盲杖則有著無法準確探明路徑、迷路時方向無法定位、親屬無法尋找等弊端[1～3].而這款導盲杖具有“北斗精確定位”“超聲波測距”和“語音提醒”等特點，是一個能幫助盲人及時躲避障礙物，真正能夠幫助到盲人，造福社會的裝置.

2 系統總體設計

智能導盲拐杖采用STM32F103為控制器，采用GPS/北斗雙模定位模塊，可隨時將使用者的位置發送給家人，便于找尋.盲人在行走過程中會遇到障礙物，HC-SR04模塊配合振動馬達，可有效提示盲人前方會遇到障礙物，簡單易懂.由于盲人視力障礙，偶爾可能摔倒，當MPU6050檢測到大角度劇烈的偏轉時，拐杖會發出語音來求助路人，若盲人長時間倒地，拐杖便會自動發送位置到家人的手機上，以尋求幫助.盲人走夜路時，光敏電阻檢測到的光信號微弱，LED 便會亮起來，以警示行人及汽車.整個系統的框架如圖1所示.

圖1 系統總體框圖

3 系統工作流程

該系統以STM32F103ZET6為核心，傳感器采集數據，分析是否需要改變工作狀態.當狀態出異常情況時，如盲人跌倒等，系統將自動向用戶手機發出警報，通知家人處理突發情況.

4 各模塊的選擇及工作原理

4.1 超聲波模塊的選擇

超聲波模塊選擇HY-SRF05，用于測量盲人與障礙物之間的距離.模塊具有2～450 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達到3 mm.測距時：

(1)首先采用IO口Trig觸發測距，基于至少10 μs的高電平；

(2)模塊自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

(3)有信號返回時，通過Echo輸出一個高電平，高電平持續的時間即為超聲波從發射到返回的時間.測試距離設為S，高電平時間設為T，聲速為340 m/s，則

其需要兩個超聲波模塊，分別置于導盲杖的底部和頂部，都可調節高度.底部的模塊根據需要可調節至距離最低端10～70 cm處，面部的模塊可調節至面部高度，分別用于檢測人的腳部和面部的障礙物.

4.2 語音模塊的選擇

語音合成模塊選擇一款高性價比的中文語音合成芯片模塊XFS3031CNP-EVB.其可以通過UART接口接收待合成的文本,之后合成為語音輸出.導盲杖選擇異步串口接收數據.芯片模塊支持任意中文文本的合成,可以采用GB2312,GBK,BIG5和UNICODE 4種編碼方式,支持英文字母的合成.采用LM4990組成的功放電路對聲音信息進行放大.語音合成系統構成框圖如圖2所示.

圖2 語音合成系統構成框圖

4.3 北斗模塊的選擇

北斗模塊是一種以空中衛星為基礎的高精度無線電導航的定位系統，其在全球以及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車速及精確的時間信息,利用它可以幫助我們實時了解到導盲杖的位置信息，從而保證用戶的安全.

4.4 供電的選擇

較干電池與鋰聚合物柱狀電池，我們選擇后者.電池小巧便攜，功率密度高，且多節電池可替換反復使用，無需擔心電量耗盡問題.工作溫度區間較大，極化現象弱，多次充放電容量只會略微下降.電源適配器中采用高壓氮化鎵晶體管，開關速度快，有著更小的輸出電容和更低的導通電阻，高頻工作性能優異.相較傳統充電器，體積更小，其預充、恒流、恒壓、涓流4個階段的充電效率和速度更高更快.從而使盲人的出行無需考慮電量問題.

5 機械結構設計

采用質輕堅韌的馬氏體不銹鋼作為主體部分，主要電路部分位于拐杖上部，不易受潮.導盲杖大體呈上部略粗，下部稍細的圓柱體.電路板通過FPC軟性線路板跟各個模塊連接，柱狀電池嵌在手柄下方，可通過打開電池外的滑蓋取出電池盒中的電池.

6 軟件設計

軟件設計主要包括主程序、超聲波測距子程序、光照度采集子程序、溫度采集子程序、氮化鎵快充子程序及語音播報子程序.當面部(或底部)超聲波測量障礙物距離S1(或S2)≤1.5 m時,語音播報“請注意,面部(或底部)有障礙物”.光線充足時,可以手動關閉光照度傳感器的電源開關;光線不足時,打開光照度傳感器的電源開關,測量環境光照度,當光照度I≤30 lx(路燈照度標準)時,杖體上的LED燈帶亮起,提醒行人及車輛及時避讓盲人.在所有模塊電源都打開的情況下,整個設計程序執行一次的流程圖如圖3所示.

7 結束語

我們設計的智能電子導盲杖集傳統的導盲杖和電子科技于一體，較好地解決了盲人出行難的問題.當盲人需要幫助或者走丟時，只要按下我們導盲杖設計的一個特殊按鈕，盲人所在的地理位置信息就會通過北斗定位系統第一時間發送到指定人的手機里.最大程度地保障了盲人的生命財產安全.

圖3 系統的軟件程序流程圖