基于北斗和超聲波模塊智能導(dǎo)盲杖*

徐紀(jì)明 彭夢(mèng)蝶 武泱光 胡安正

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽(yáng) 441053)

1 引言

根據(jù)世界衛(wèi)生組織展示的數(shù)據(jù)，中國(guó)是全世界盲人最多的國(guó)家，2010年中國(guó)的盲人達(dá)到824.8萬(wàn)人，約占全世界盲人的18%，而且每年都會(huì)以10%的速率上漲.盲人在社會(huì)生活中有著極大地不便，社會(huì)中雖然已有多種解決方案，但其優(yōu)點(diǎn)不夠突出且缺點(diǎn)較多，如利用導(dǎo)盲犬進(jìn)行導(dǎo)盲，則需要解決培訓(xùn)難度大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高、犬的壽命有限等問(wèn)題；而普通的導(dǎo)盲杖則有著無(wú)法準(zhǔn)確探明路徑、迷路時(shí)方向無(wú)法定位、親屬無(wú)法尋找等弊端[1～3].而這款導(dǎo)盲杖具有“北斗精確定位”“超聲波測(cè)距”和“語(yǔ)音提醒”等特點(diǎn)，是一個(gè)能幫助盲人及時(shí)躲避障礙物，真正能夠幫助到盲人，造福社會(huì)的裝置.

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)盲拐杖采用STM32F103為控制器，采用GPS/北斗雙模定位模塊，可隨時(shí)將使用者的位置發(fā)送給家人，便于找尋.盲人在行走過(guò)程中會(huì)遇到障礙物，HC-SR04模塊配合振動(dòng)馬達(dá)，可有效提示盲人前方會(huì)遇到障礙物，簡(jiǎn)單易懂.由于盲人視力障礙，偶爾可能摔倒，當(dāng)MPU6050檢測(cè)到大角度劇烈的偏轉(zhuǎn)時(shí)，拐杖會(huì)發(fā)出語(yǔ)音來(lái)求助路人，若盲人長(zhǎng)時(shí)間倒地，拐杖便會(huì)自動(dòng)發(fā)送位置到家人的手機(jī)上，以尋求幫助.盲人走夜路時(shí)，光敏電阻檢測(cè)到的光信號(hào)微弱，LED 便會(huì)亮起來(lái)，以警示行人及汽車.整個(gè)系統(tǒng)的框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，傳感器采集數(shù)據(jù)，分析是否需要改變工作狀態(tài).當(dāng)狀態(tài)出異常情況時(shí)，如盲人跌倒等，系統(tǒng)將自動(dòng)向用戶手機(jī)發(fā)出警報(bào)，通知家人處理突發(fā)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(cè)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(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)到3 mm.測(cè)距時(shí)：

(1)首先采用IO口Trig觸發(fā)測(cè)距，基于至少10 μs的高電平；

(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

(3)有信號(hào)返回時(shí)，通過(guò)Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間.測(cè)試距離設(shè)為S，高電平時(shí)間設(shè)為T，聲速為340 m/s，則

其需要兩個(gè)超聲波模塊，分別置于導(dǎo)盲杖的底部和頂部，都可調(diào)節(jié)高度.底部的模塊根據(jù)需要可調(diào)節(jié)至距離最低端10～70 cm處，面部的模塊可調(diào)節(jié)至面部高度，分別用于檢測(cè)人的腳部和面部的障礙物.

4.2 語(yǔ)音模塊的選擇

語(yǔ)音合成模塊選擇一款高性價(jià)比的中文語(yǔ)音合成芯片模塊XFS3031CNP-EVB.其可以通過(guò)UART接口接收待合成的文本,之后合成為語(yǔ)音輸出.導(dǎo)盲杖選擇異步串口接收數(shù)據(jù).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(duì)聲音信息進(jìn)行放大.語(yǔ)音合成系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖2所示.

圖2 語(yǔ)音合成系統(tǒng)構(gòu)成框圖

4.3 北斗模塊的選擇

北斗模塊是一種以空中衛(wèi)星為基礎(chǔ)的高精度無(wú)線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)，其在全球以及近地空間都能夠提供準(zhǔn)確的地理位置、車速及精確的時(shí)間信息,利用它可以幫助我們實(shí)時(shí)了解到導(dǎo)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(jié)電池可替換反復(fù)使用，無(wú)需擔(dān)心電量耗盡問(wèn)題.工作溫度區(qū)間較大，極化現(xiàn)象弱，多次充放電容量只會(huì)略微下降.電源適配器中采用高壓氮化鎵晶體管，開(kāi)關(guān)速度快，有著更小的輸出電容和更低的導(dǎo)通電阻，高頻工作性能優(yōu)異.相較傳統(tǒng)充電器，體積更小，其預(yù)充、恒流、恒壓、涓流4個(gè)階段的充電效率和速度更高更快.從而使盲人的出行無(wú)需考慮電量問(wèn)題.

5 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用質(zhì)輕堅(jiān)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(dǎo)盲杖大體呈上部略粗，下部稍細(xì)的圓柱體.電路板通過(guò)FPC軟性線路板跟各個(gè)模塊連接，柱狀電池嵌在手柄下方，可通過(guò)打開(kāi)電池外的滑蓋取出電池盒中的電池.

6 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序、超聲波測(cè)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(yǔ)音播報(bào)子程序.當(dāng)面部(或底部)超聲波測(cè)量障礙物距離S1(或S2)≤1.5 m時(shí),語(yǔ)音播報(bào)“請(qǐng)注意,面部(或底部)有障礙物”.光線充足時(shí),可以手動(dòng)關(guān)閉光照度傳感器的電源開(kāi)關(guān);光線不足時(shí),打開(kāi)光照度傳感器的電源開(kāi)關(guān),測(cè)量環(huán)境光照度,當(dāng)光照度I≤30 lx(路燈照度標(biāo)準(zhǔn))時(shí),杖體上的LED燈帶亮起,提醒行人及車輛及時(shí)避讓盲人.在所有模塊電源都打開(kāi)的情況下,整個(gè)設(shè)計(jì)程序執(zhí)行一次的流程圖如圖3所示.

7 結(jié)束語(yǔ)

我們?cè)O(shè)計(jì)的智能電子導(dǎo)盲杖集傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖和電子科技于一體，較好地解決了盲人出行難的問(wèn)題.當(dāng)盲人需要幫助或者走丟時(shí)，只要按下我們導(dǎo)盲杖設(shè)計(jì)的一個(gè)特殊按鈕，盲人所在的地理位置信息就會(huì)通過(guò)北斗定位系統(tǒng)第一時(shí)間發(fā)送到指定人的手機(jī)里.最大程度地保障了盲人的生命財(cái)產(chǎn)安全.

圖3 系統(tǒng)的軟件程序流程圖