一種智能導盲拐杖設計

宋爽 鄒治嘉 馬宏強

摘?要：目前，由于市場上的導盲拐杖功能比較單一，無法滿足盲人的需要。針對這一問題，文中設計了一種基于STM32的智能導盲拐杖。此款拐杖為空心圓柱狀，選用stm32f103rct6為主控芯片，并且通過超聲波測距、語音合成、緊急按鍵物理裝置來實現給使用者的提醒、導盲功能，通過GPS定位成熟物聯網技術實現導航定位功能，幫助盲人更加智能方便的出行。

關鍵詞：MCU;智能導盲;單片機;超聲波測距;GPS定位

盲人外出時會遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況，或者因為監護人不在而走丟等。因此，本文利用現代已有技術，研究出一種新型導盲系統，通過軟硬件結合，以實現障礙物避障、語音與發光提示、角度測量防摔以及GPS定位功能，以幫助盲人解決出行時遇到的問題。

1?智能導盲拐杖的設計系統結構

圖1?原理框圖

選用stm32f103rct6為主控芯片，配合獨立的電源電路、光控發光電路、由SYN6288模塊構成的語音合成電路、由HCSR04模塊構成的超聲波測距電路、由壓力傳感器及壓力轉電壓模塊構成的壓力檢測電路和由SIM868模塊構成的定位電路，實現一款集測距避障、危險報警、緊急報警按鍵、實時定位和發送消息于一體的智能導盲拐杖。

2?硬件電路設計

2.1?主控芯片最小系統設計

圖2?stm32f103rct6最小系統

其中，包括stm32f103rct6最小系統、下載端口電路和變壓電路。在晶振電路中，8MHz晶振提供外部高速時鐘（HSE），用于提供更精確的系統時鐘;32.768KHz晶振提供外部低速時鐘（LSE），為精確定時服務，可用于RTC電路時鐘源，可為低功耗提供計時。

2.1.1?語音合成模塊電路設計

利于syn6288模塊，通過與主控芯片進行串口通信，達到語音合成的目的，如播報時間、危險警報等。

2.1.2?GPS定位模塊電路設計

通過串口與主控芯片進行通信、實現定位、發送信息的功能。

2.1.3?超聲波測距模塊電路設計

將HCSR04模塊安裝于拐杖底部前端，通過端口TRIG和ECHO給主控芯片傳輸信號，主控芯片根據所傳輸的信號進一步計算得出所測距離，當距離小于某一設定值則主控芯片控制語音合成模塊發出危險警報，達到避障的目的。

2.1.4?獨立電源模塊電路設計

其中，設計了利用太陽能板給蓄電池充電電路，TP4056模塊將太陽能板提供的電能充入蓄電池中，蓄電池則采用可充放電的鋰電池并配備充電口，電池容量大小可根據最終運行結果現在合適的容量。

圖3?電源模塊電路

2.1.5?光控發光電路設計

由于D5光敏電阻的靈敏度非常高，遠遠大于人眼對光強弱的判斷，故此電路不涉及主控芯片，在自然光較弱的情況下即可觸發此電路，自然光越弱光敏電阻阻值越大，三極管導通度越高，從而LED兩端電壓越大，即越亮，可以簡單有效地達到發光的作用。

圖4?光控發光電路

2.1.6?壓力傳感電路設計

其中，設計兩個薄膜壓力傳感器，一個在握手部，一個在拐杖底端觸地處，兩個傳感器壓力范圍根據實際情況具體設計。工作原理是將壓力信號通過壓轉電模塊轉換為需要的范圍電壓，再通過主控芯片實時監測。

2.1.7?緊急按鍵電路設計

當按下按鈕時主控芯片PB12端口由高低配變化為低電平，從而實現是否按下按鈕地檢測。設置為長按一定的時間向手機發送使用者所在的位置，僅限突發情況使用，即報警按鍵，如使用者迷路、腿部受傷等類似情況。

2.2?原理圖

圖5?原理圖

2.3?PCB圖及PCB板

2.3.1?PCB圖的繪制

此PCB為雙層板，長約80mm，寬約60mm。其中5V電源線采用30mil線寬，3.3V電源線采用20mil線寬，地線采用30mil和20mil線寬，其余信號線均采用10mil線寬。

圖6?PCB圖

2.3.2?PCB板打樣

圖7?PCB板正面圖

3?軟件設計

該系統的軟件分為地理位置查詢及上報、語音提醒兩部分，地理位置的查詢及上報又分為：獲取GPS、GPS逆地理編碼得到地名、盲人當前位置上傳OneNet云平臺。語音提醒部分又分為：前方障礙物提醒、手杖長時間離手提醒、當前位置播報。以上功能全部基于STM32F103C8T6平臺采用C語言編程實現。

圖8

3.1?地理位置查詢及上報部分軟件設計

3.1.1?GPS定位

SIM868模塊具有GPS功能，軟件上通過串口對SIM868發送AT指令來控制芯片開啟GPS功能及接收GPS信號。程序中采用AT+CGPSOUT=2開啟GPS數據輸出，因此獲取的GPS數據格式為GPSGGA，獲取GPS數據的流程如圖9所示：

圖9

該語句以字符串的形式發送，因此程序中須對該字符串進行解析，獲取經度和緯度的角度格式，通過使用字符串處理將字符串格式的度分經緯度信息轉換為浮點型，并通過以下計算，將度分格式的經緯度轉換為角度格式的經緯度，經緯度處理程序如圖10：