手持式導盲終端的設計

舒平凡 張婧婧 張國偉 陳細水 鐘海浪

摘要：基于Arduino開發平臺，以盲人出行安全為設計目標，展開超聲波探路、紅外避障、GPS定位等導盲系統的終端設計與測試。通過超聲波測距，檢測道路前方0.1～5m內是否適于直行;采用紅外探測，確認盲人左右2～40cm是否有障礙或行人;選擇GPS模塊解決盲人出行中的定位問題;通過蜂鳴器為盲人行走時不在安全距離提供預警。設計以高精度、低成本的方案，為手持式導盲終端提供技術參考。

關鍵詞：導盲終端;Arduino;超聲波傳感器;紅外傳感器;GPS

中圖分類號：TP242. 6+2? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）26-0143-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

The Design of a Handheld Guide Terminal

SHU Ping-fan， ZHANG Jing-jing， ZHANG Guo-wei， CHEN Xi-shui， ZHONG Hai-lang

（College of Computer and Information Engineering Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Based on Arduino development platform， with the blind travel safety as the design goal， the terminal design which include with test of ultrasonic road detection， infrared obstacle avoidance， GPS positioning are carried out. Through ultrasonic ranging， it can detect whether the road is suitable for straight travel within 0.1 ～ 5m in front of the blind ; infrared detection is used to confirm whether there are obstacles or pedestrians with in 2 ～ 40cm to the left and right of the blind; GPS module is selected to solve the positioning problem of the blind in travel; buzzer provides early warning for the blind when they are not at a safe distance.The design is based on high precision and low cost， which can provide technical reference for the handheld guide terminal.

Key words： guide terminal; arduino; ultrasonic sensor; infrared sensor; GPS

目前，利用現代科技輔助盲人出行的導盲系統發展迅速，主流的導盲系統包括智能導盲杖、穿戴式導盲設備、手持式導盲設備、基于智能終端的導盲系統、移動式導盲機器人等[1，2]。不同導盲設備一般包括障礙物檢測等、GPS定位、危險預警、語音信息提示等功能[3]，其中GPS定位、超聲波測距、紅外線檢測以其精度高、速度快、成本低等優勢廣泛用于手持式導盲系統之中[4～8]。文中設計的導盲系統即采用GPS模塊、超聲波測距模塊、紅外檢測模塊、聲音預警模塊、液晶顯示模塊等實現了手持式導盲設備的基本功能，并以低成本、高精度的優勢為相關產品設計提供借鑒與參考。

1 整體設計

為了實現探路、避行人、定位等基本功能，本設計以Arduino UNO為主控板[9]，分別采用超聲波測距完成前方探路，并能做出聲音預警;通過紅外傳感器實現左右兩側近距離檢測障礙物或路人，避免碰撞;通過GPS進行導航定位等，其系統框架如圖1所示。

2 硬件設計及功能簡介

2.1 硬件設計

基于手持式導盲終端的功能需求，系統的硬件連接如圖2所示。其中前方的超聲波測距、左右兩側的紅外探測、GPS定位屬于系統的輸入端;液晶顯示、蜂鳴器報警則是系統的輸出裝置。主控器Arduino UNO的2～13號數字引腳均用于I/O數據傳送，此外GPS模塊通過串口傳輸數據，即系統基本功能集成在一塊處理器上實現，降低了終端設備的成本。

系統選用的功能模塊與Arduino的引腳連接如表1所示：

2.2 功能簡介

1）HC-SR04超聲波傳感器

HC-SR04超聲波傳感器模塊中包括VCC、trig、echo和GND四個引腳。trig引腳與主控器Arduino的8腳相連，echo引腳連接到Arduino的9腳。該模塊利用超聲波的測距原理探測前方0.1～5米的道路中是否適于盲人直行。

2）紅外傳感器檢測左右行人

紅外避障傳感器對環境光線適應性較強，通過紅外線發射與接收，將采集的紅外信號從Arduino的6腳及7腳送入，經過比較器處理之后，將信號輸出到Arduino的10腳及13腳，即可檢測盲人左右兩側近距離范圍內是否會遇到其他行人或障礙物。

3）GPS定位

ATGM336H-GPS模塊包括VCC、RX、TX、GND四個引腳，其中RX連接Arduino的14腳，TX連接Arduino的15腳。該模塊同時可以接收六個衛星導航系統的GNSS信號，具備高靈敏度、低成本的優勢。設計中GPS數據通過串口傳送，便于解決盲人走丟后導航定位問題。