智能盲行拐杖
——黑夜中的明燈

河南理工大學(xué)高瑞辰，李麗鈞，鄧鑫宇，李佳琦，張 玲

1 作品介紹

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能拐杖主要是由超聲波測(cè)距系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、智能深坑檢測(cè)系統(tǒng)組成。正常出行時(shí)，智能拐杖如果發(fā)現(xiàn)障礙則自動(dòng)提醒盲人，同時(shí)語(yǔ)音提醒路人注意避讓，以減少事故的發(fā)生；內(nèi)置指示燈，當(dāng)盲人黑夜出行時(shí)，拐杖會(huì)默認(rèn)開(kāi)啟控制指示燈閃爍的開(kāi)關(guān)，盲人也可人為控制此開(kāi)關(guān)。遇到緊急情況時(shí)，盲人可按下求救按鍵，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給監(jiān)護(hù)人撥打電話，監(jiān)護(hù)人通過(guò)手機(jī)APP可查詢盲人用戶所在位置。此外，產(chǎn)品中增加了一些額外功能，比如按鍵控制語(yǔ)音報(bào)時(shí)、語(yǔ)音判別方向，甚至規(guī)劃路線等。智能拐杖設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能拐杖設(shè)計(jì)

2 工作原理

本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)通過(guò)超聲波發(fā)送和接收模塊對(duì)障礙物的測(cè)距，當(dāng)盲人遇到障礙物時(shí)，通過(guò)單片機(jī)上的算法程序計(jì)算距離，再通過(guò)串行通信發(fā)送到語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音提醒；同時(shí)利用GPS模塊采集地理信息，將盲人所處位置的經(jīng)緯度與庫(kù)函數(shù)里的經(jīng)緯度進(jìn)行對(duì)比，然后將地理信息上傳至手機(jī)APP；用戶按下應(yīng)急按鈕時(shí)產(chǎn)品便會(huì)通過(guò)GSM模塊向指定手機(jī)號(hào)碼發(fā)送求救短信；夜晚或燈光條件不好時(shí)，光敏傳感器控制的示警燈系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

用戶在使用此產(chǎn)品時(shí)，圖3所示的結(jié)構(gòu)中位置3的HC-SR04 超聲波會(huì)自動(dòng)檢測(cè)360°范圍內(nèi)的障礙物，并實(shí)時(shí)通過(guò)語(yǔ)音提醒用戶，其中包含GPS模塊實(shí)時(shí)定位用戶的位置信息；位置1為緊急按鈕，用戶可按下此按鈕向緊急聯(lián)系人發(fā)送呼救短信；當(dāng)夜晚或燈光條件不好時(shí)，位置2會(huì)發(fā)出LED燈光來(lái)提醒周圍人避讓。通過(guò)程序算法，利用超聲波和紅外檢測(cè)實(shí)現(xiàn)智能深坑檢測(cè)。該產(chǎn)品設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了模擬電子、數(shù)字電子、通信原理、嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)，使得對(duì)盲人出行的保護(hù)也愈加周全和高效。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)

智能盲行拐杖在使用前需要用戶在緊急聯(lián)系人的手機(jī)APP上進(jìn)行注冊(cè)綁定，其次用戶在使用時(shí)須將總開(kāi)關(guān)打開(kāi)，此時(shí)語(yǔ)音提示功能、GPS定位功能便會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)然，用戶借此可享受到智能且安全的體驗(yàn)：天黑時(shí)，智能拐杖默認(rèn)開(kāi)啟燈光，燈光不斷閃爍以提示路人和車輛注意盲人；若遇到緊急情況按下應(yīng)急按鈕便可以一鍵呼救，家人也可以在手機(jī)APP上實(shí)時(shí)查看用戶的位置信息，這樣可以顯著提高盲人出行的安全性。

本產(chǎn)品為微型產(chǎn)品，產(chǎn)品輕便，操作簡(jiǎn)單。使用時(shí)的主要注意事項(xiàng)有：

（1）產(chǎn)品內(nèi)部裝有可充電鋰電池，建議充電后使用，邊充邊用易損壞電池。

（2）禁止用尖銳物品觸碰電池鋁箔包裝材料，禁止彎折頂封邊，禁止打開(kāi)或破壞折邊，禁止彎折，禁止墜落沖擊彎折電池，任何時(shí)間禁止短路或顛倒正負(fù)極使用電池。

（3）防止電池包裝內(nèi)產(chǎn)生短路，嚴(yán)禁拆卸電池，嚴(yán)禁將電池投入火中，嚴(yán)禁將電池浸入液體中（如：水、飲料、果汁、咖啡），不得自行更換電池，禁止使用損壞的電池。

（4）產(chǎn)品未產(chǎn)生故障時(shí)嚴(yán)禁拆卸，若發(fā)生故障應(yīng)聯(lián)系相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行維修。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

本文獨(dú)立開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)并且實(shí)現(xiàn)了一整套基于STM32的緊急報(bào)警以及短信收發(fā)和物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、通信原理、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了智能盲行拐杖及時(shí)、精確的數(shù)字化管理功能以及遠(yuǎn)程控制功能。STM32 控制為主控制電路；超聲波模塊可時(shí)時(shí)測(cè)量盲人在行走時(shí)前方是否有障礙物，并通過(guò)語(yǔ)音提示對(duì)盲人進(jìn)行提醒，使盲人可以提前準(zhǔn)備避讓障礙物，以防摔倒。在盲人跌倒時(shí)，警報(bào)模塊迅速發(fā)出聲音，警示監(jiān)護(hù)人和使用者，可以使盲人提前做出反應(yīng)，盡量避免摔傷重要部位；同時(shí)也能使監(jiān)護(hù)人迅速了解到盲人的當(dāng)前狀況，并及時(shí)采取措施；通過(guò)陀螺儀、紅外+超聲綜合測(cè)量判斷持杖者前方是否出現(xiàn)過(guò)高臺(tái)階或深坑；視力障礙人士在遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)一鍵發(fā)送求救短信，監(jiān)護(hù)人可查看監(jiān)控并及時(shí)處理；使用 GPS 進(jìn)行定位，為監(jiān)護(hù)人尋找盲人提供了有利條件，同時(shí)也為盲人提供了諸多方便，減少了盲人在走失后的焦慮感和恐懼感，也減少了監(jiān)護(hù)人對(duì)走失盲人的擔(dān)憂。該智能拐杖克服了傳統(tǒng)拐杖的缺點(diǎn)，通過(guò)傳感器對(duì)路況進(jìn)行檢測(cè)，將可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)給盲人，讓他們提前做好準(zhǔn)備；還能夠探測(cè)不同類型的障礙物和適應(yīng)多種可能出現(xiàn)的情況，保障盲人用戶的出行安全。

4 市場(chǎng)和發(fā)展前景

中國(guó)殘聯(lián)公布的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，全國(guó)目前有8 296萬(wàn)多名殘疾人，這個(gè)群體年消費(fèi)額在2 000億元左右，并呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由此可見(jiàn)，我國(guó)殘疾人用品市場(chǎng)潛力巨大，亟待開(kāi)發(fā)。殘疾人用品市場(chǎng)可以說(shuō)是一個(gè)前景廣闊、充滿生機(jī)的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，這對(duì)殘疾人用品的品種、檔次、質(zhì)量和數(shù)量也提出了更高要求。

全國(guó)有1 730萬(wàn)盲人，生活中卻很少見(jiàn)到，原因是社會(huì)上很多公共設(shè)施對(duì)盲人還不夠友善，例如很多城市里的盲道的確長(zhǎng)度很長(zhǎng)、分布很廣，但是有些盲道的設(shè)計(jì)卻并不適用于盲人；另外，能夠?yàn)槊と艘返膶?dǎo)盲犬?dāng)?shù)量也非常有限、價(jià)格昂貴，而且很多場(chǎng)所不允許導(dǎo)盲犬進(jìn)入。這些原因都導(dǎo)致盲人出行非常不便?，F(xiàn)階段盲人用品市場(chǎng)尚不完善，導(dǎo)盲拐杖更是處于空白狀態(tài)。伴隨科技的發(fā)展，在大數(shù)據(jù)、人工智能和5G背景下，盲人導(dǎo)航器、盲人鞋、盲人腰帶等方便盲人出行的產(chǎn)品的研制和開(kāi)發(fā)應(yīng)該受到更多科技企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注，亟需將這些技術(shù)集合在一起，設(shè)計(jì)出一款低成本、安全、人性化的電子盲人導(dǎo)航器或系統(tǒng)，讓盲人群體也能享受到后工業(yè)時(shí)代技術(shù)發(fā)展的福利。

盲人們普遍渴望友好的代步工具以便保護(hù)自己，渴望有一種幫助盲人出行的交通系統(tǒng)，渴望引進(jìn)高科技產(chǎn)品以更好地導(dǎo)航助行。因此，設(shè)計(jì)高科技產(chǎn)品幫助盲人出行迫在眉睫。產(chǎn)品一旦順利推行會(huì)更加便于盲人出行，提升城市服務(wù)動(dòng)力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。與市場(chǎng)上已有的產(chǎn)品和解決方案相比，本項(xiàng)目產(chǎn)品具有充分的適宜性，可以更好地滿足現(xiàn)階段的盲人需要，解決盲人出行安全性和有效性等實(shí)際問(wèn)題，價(jià)格方面也具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)包含一定的創(chuàng)新性和核心技術(shù)，可以保證產(chǎn)品獨(dú)有的生命力和技術(shù)門(mén)檻。