基于STM32傳感技術(shù)的智能防跌倒的導(dǎo)盲鞋設(shè)計

許華璽，朱奧，陳正良

（安徽三聯(lián)學(xué)院，安徽合肥，230601）

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，如今的智能手機(jī)能夠幫助盲人解決生活中的一些問題，但為盲人設(shè)計的智能產(chǎn)品不多。在日常生活中，更多的盲人選擇留在家里而很少外出。面對日益嚴(yán)峻的生存考驗，盲人的出行問題引起了社會廣泛的關(guān)注。跌倒是對盲人的身心健康產(chǎn)生影響的主要因素。為了讓盲人在社會中更好地生存，本研究專門設(shè)計并實現(xiàn)了一種集避障、GPS定位、語音報警等多功能于一體的防跌倒導(dǎo)盲鞋，盲人穿上后可以在路上安全地行走。

盲人跌倒有很多種影響因素。首先，從身體因素來講，盲人視力較弱，無法看清路面情況，是主要因素。其次，特別是老年視障者，這與其年歲高、身體弱、身體機(jī)能減退、肌肉萎縮等有關(guān)。最后，從外界因素來講，如果周圍環(huán)境出現(xiàn)了突變，視障人士無法適時做出正確反應(yīng)并維持身體平衡，很有機(jī)會摔倒。而且，人們在實際生活中會看到一些盲道被人占用?？偠灾曈X障礙者跌倒的原因可歸結(jié)為以下幾點：

①老年人由于歲數(shù)的增加，其身體各項功能都出現(xiàn)了顯著的變化，由于存在骨骼肌系統(tǒng)機(jī)能衰退，從而引起肌肉、關(guān)節(jié)等機(jī)能的下降，移動能力減弱了，加上盲人看不見東西，導(dǎo)致盲人走路不穩(wěn)，然后下肢無力跌倒了。

②在周圍環(huán)境因素方面，視覺障礙者容易在以下情形跌倒，例如地面板磚光滑、道路不平坦潮濕等。

③占用盲道，生活當(dāng)中我們會看到一些盲道由于較少的使用而被占用，所以一些人會用來停車或者是在上面行走。

1 智能防跌倒導(dǎo)盲鞋的原理

本文設(shè)計的一種具有語音報警功能的智能防跌倒導(dǎo)盲鞋具體設(shè)計思路如圖1所示，主要由STM32單片機(jī)、超聲波模塊、語音模塊、4G DTU模塊、GPS定位模塊和電源部分組成[1]。該裝置主要是通過超聲波傳感器檢測正前方距離，完成警報和避障作用。盲人在常規(guī)走路時不一定一直是水平的，歪斜的時候需要精確測量設(shè)備與地面之間的距離，融合陀螺儀的角度信息可以準(zhǔn)確地判斷出地面距離或是阻礙物距離，保障盲人的安全。假如分辨出的結(jié)果是阻礙物距離，導(dǎo)盲鞋會發(fā)出報警的聲音。通過GPS定位裝置，能夠獲得當(dāng)前的緯度和經(jīng)度信息，融合地圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息得到盲人的地理位置。那樣，盲人迷了路的時候就可以聽到設(shè)備播報所在位置。4G DTU模塊可以通過網(wǎng)絡(luò)獲得地圖信息后，將位置信息上傳至云，親人可以通過網(wǎng)絡(luò)看到盲人的當(dāng)前位置。通過以上模塊的組合，實現(xiàn)了避障、語音播報和遠(yuǎn)程查看位置的功能[2]。

圖1 總體方案設(shè)計圖

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

■2.1 主控部分

本設(shè)計采用的主控芯片型號為STM32F103C8T6，其功耗低，價格與家族其他芯片相比較低，算力不差。該芯片基于ARM Cortex-M內(nèi)核，具有高效處理能力，可以實現(xiàn)更為復(fù)雜的算法和更加靈活的控制策略。同時，它具備豐富的外設(shè)接口資源，如2個SPI總線協(xié)議、2個IIC總線協(xié)議、3個USART串口、1個CAN通信、37個可控制I/O口以及2個12位的ADC采集通道、外加多種定時器等。此外，該芯片工作電壓為2V～3.6V，有64KB的程序存儲容量，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

■2.2 電源部分

該設(shè)計是一種移動智能可穿戴設(shè)備，通常應(yīng)用鋰電池為該設(shè)備供電[3]?，F(xiàn)階段鋰電池單個電壓一般為3.7～4.2 V，但GPS模塊、超聲波模塊等都是5V供電，因此本文選擇市面上的5V鋰電池組。本設(shè)計采用的5V鋰電池組是一種可充電電池，它主要依靠Li+在正、負(fù)極之間移動來工作。充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。另外，鋰電池因具有重量輕、無記憶效應(yīng)等特點被許多人用作電子設(shè)備的電源。

■2.3 傳感器部分

本設(shè)計采用HC-SR04超聲波測距模塊來實現(xiàn)測距的功能，其范圍2cm～400cm完全可以適應(yīng)設(shè)計的要求，并且測距精度高。超聲波傳感器在進(jìn)行測距時，其發(fā)射部分會向前方發(fā)射一次超聲波并開啟計時。超聲波向周圍空氣中擴(kuò)散，如果在途中遇到障礙物，超聲波會被反射回來，傳感器則會在收到返回的聲波信號時停止計時[4]。根據(jù)測算聲波在空氣中的飛行時間，可以獲得障礙物之間的距離。

為了讓導(dǎo)盲鞋實現(xiàn)防跌倒功能，陀螺儀使用MPU6050模塊，其內(nèi)部整合了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計以及一個可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動處理器DMP。IIC數(shù)據(jù)通信接口讀取到MPU6050的6軸原始數(shù)據(jù)，然后再利用STM32進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)處理和計算，就能得到角度信息和加速度信息。使用陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測盲人的步行情況，并根據(jù)盲人的步頻、步幅等信息統(tǒng)計步數(shù)。同時，通過檢測加速度計的信號，還可以及時發(fā)現(xiàn)盲人是否出現(xiàn)了摔倒風(fēng)險，并向盲人發(fā)送相應(yīng)的警告信息。

因為盲人在行走過程中，導(dǎo)盲鞋的鞋面方向可能與地面不一致，這樣面向前方的超聲波就很容易探測到地面，進(jìn)而觸發(fā)了聲音報警。為了解決這個問題，我們對陀螺儀進(jìn)行設(shè)置和校準(zhǔn)。首先，在設(shè)備上電后，獲取陀螺儀參數(shù)并將其設(shè)定為初始狀態(tài)。然后，我們可以根據(jù)當(dāng)前角度和初始角度的誤差來限制測距條件。因此，只有在當(dāng)前角度和初始角度誤差±15°以內(nèi)時才能進(jìn)行實時測距。

盲人無法看清路面，為了方便他們能夠知道自己當(dāng)前的情形，本設(shè)計通過語音播報的方式告知他們。其原理是利用文本轉(zhuǎn)換語音芯片，對傳感器收集的文本數(shù)據(jù)交給STM32處理，轉(zhuǎn)化成語音信號后由藍(lán)牙語音傳輸模塊無線傳輸。本設(shè)計采用CSR8635藍(lán)牙立體聲音頻模塊，該模塊支持A2DP、AVRCP、HFP、ACC等。但因為目前市面上的語音芯片數(shù)量眾多，同時還需要考慮和STM32主控芯片之間的兼容，而且也必須與現(xiàn)有的CSR8635藍(lán)牙立體聲音頻模塊進(jìn)行比較好的適配，所以通過分析最終確定了tts語音文本合成模塊。語音播報電路原理圖如圖2所示。

圖2 語音播報電路原理圖

■2.4 GPS定位部分

GPS定位模塊屬于被動定位，通訊衛(wèi)星不會接收該模塊發(fā)送的信號。通過該模塊實現(xiàn)精確定位的功能，能夠加快盲人出現(xiàn)意外摔倒后的援救速度。在進(jìn)行GPS定位時，首先需要計算地球與每個衛(wèi)星之間的偽距離，然后通過距離交會法求出接收端的經(jīng)度、緯度、高度等信息。GPS模塊可以通過串行接口輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，提供給用戶查看和利用。

設(shè)計采用的是ATK-S1216F8-BD-V23模塊，該模塊是一款高性能的雙模定位模塊，支持北斗在內(nèi)的絕大多數(shù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠接收到很多的衛(wèi)星信號。模塊核心采用SkyTraq公司的S1216F8-BD模組，具有體積小，功耗低，靈敏度高等特點。

■2.5 4G聯(lián)網(wǎng)部分

聯(lián)網(wǎng)部分采用ATK-M751 4G DTU模塊，它能實現(xiàn)導(dǎo)盲鞋和軟件智能終端的遠(yuǎn)程組網(wǎng)。該模塊能夠連通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的4G網(wǎng)，利用MQTT的技術(shù)為云平臺上傳輸大量數(shù)據(jù)，從而完成了遠(yuǎn)距離控制的能力。4G DTU模塊采用串口通信方式獲取數(shù)據(jù)，并與主控芯片STM32F103C8T6自帶的串口通信功能配合使用，使得從主控芯片獲取采集的數(shù)據(jù)變得簡單。

本設(shè)備采用MQTT協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)方式上傳并接收數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議聯(lián)網(wǎng)通信能夠極大地提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，從而降低流量成本。實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務(wù)器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務(wù)器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。[6]MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}（Topic）和負(fù)載（payload）兩部分：

（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe） 后，就會收到該主題的消息內(nèi)容（payload）；

（2）payload，可以理解為消息的內(nèi)容，是指訂閱者具體要使用的內(nèi)容。

圖3為MQTT協(xié)議的實現(xiàn)流程。

圖3 MQTT協(xié)議的實現(xiàn)流程

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

■3.1 系統(tǒng)整體程序流程設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，得到系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)作時，親人通過手機(jī)設(shè)置救援電話，當(dāng)盲人穿上導(dǎo)盲鞋后，各個模塊開始工作，跌倒模塊實時采集數(shù)據(jù)并計算，根據(jù)計算結(jié)果判斷盲人是否跌倒，如果判斷出盲人未跌倒，就一直重復(fù)檢測，如果檢測到跌倒事故發(fā)生，立即發(fā)出聲音警報并且通知給后臺服務(wù)。此時，親人會收到來自app的推送，從而得知盲人跌倒。親人打開app后，找到GPS定位的按鈕并按下，獲取盲人當(dāng)下的地理位置信息。如果自己此時無法來到盲人跌倒的地方，可以選擇報警按鈕并按下，找到事先存儲的救援電話并發(fā)送位置信息。此外，為了讓盲人家屬快速地掌握app的使用，在界面設(shè)計上以良好的互動性與可理解性為設(shè)計準(zhǔn)則，并盡量地做到簡潔，美觀。

圖4 系統(tǒng)工作流程

■3.2 跌倒檢測系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)物理框架結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，盲人穿上導(dǎo)盲鞋后，通過內(nèi)置的傳感器實時監(jiān)測人體運(yùn)動姿態(tài)以獲取盲人的運(yùn)動數(shù)據(jù)。監(jiān)測過程中，加速度傳感器和陀螺儀會同時采集信號。這些信號在通過濾波處理后，會形成三維空間下的運(yùn)動參數(shù)。運(yùn)動參數(shù)經(jīng)過跌倒檢測算法分析后，如果發(fā)現(xiàn)異常，則立即通過語音報警提醒盲人注意安全。同時，GPS定位模塊可以獲取盲人當(dāng)前的物理位置信息，并且通過Baidu提供的位置解析工具獲得危險發(fā)生的街道等詳細(xì)信息。當(dāng)系統(tǒng)檢測到危險情況后，會把盲人當(dāng)前的地理位置信息發(fā)送至預(yù)設(shè)的救援電話，這些信息將通過手機(jī)接收并儲存在app中。此時，app會對收到的信息進(jìn)行處理，獲取到盲人當(dāng)下的地理位置，并發(fā)送短信給設(shè)定的救援電話。另外，app提供實時推送的功能，當(dāng)導(dǎo)盲鞋配合手機(jī)連接app后，親人可以通過實時推送收到最新信息，并迅速在第一時間作出應(yīng)對。

圖5 系統(tǒng)物理框架結(jié)構(gòu)圖

4 創(chuàng)新點

（1）導(dǎo)盲鞋是為了應(yīng)對不同場景下的情況而設(shè)計，有效保障盲人的安全出行，節(jié)省社會資源和人力資源。

（2）緩解導(dǎo)盲犬現(xiàn)狀：目前，我國導(dǎo)盲犬投入成本大，數(shù)量少，產(chǎn)出率極低，價格高。對于收入不高的盲人群體來說，擁有一只導(dǎo)盲犬，是一件奢侈的事。即使幸運(yùn)地?fù)碛辛艘恢粚?dǎo)盲犬，在生活中，盲人對導(dǎo)盲犬的使用依然會面臨重重困難。而且本文設(shè)計的導(dǎo)盲鞋價格不貴。

（3）系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作簡單，用戶只需設(shè)置多個救援電話以備不時之需。導(dǎo)盲鞋支持與手機(jī)平臺連接，實時監(jiān)控盲人的位置信息，還支持?jǐn)?shù)據(jù)主動推送和數(shù)據(jù)觸發(fā)報警。

（4）位置信息提供多種查看方式，如微信小程序、手機(jī)app等。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種集避障、GPS定位等多功能的防跌倒導(dǎo)盲鞋，擬解決盲人安全出行的問題。該設(shè)計的創(chuàng)新點在于沒有過多地使用社會資源和人力資源，用簡單的元件、電路解決了盲人由于盲道被占、環(huán)境方面等因素影響出行的問題。此外，防跌倒的導(dǎo)盲鞋在設(shè)計上還需要考慮其他的因素，如外形是否美觀、穿著是否舒適等。通過該設(shè)計，盲人能夠更好地融入當(dāng)下的生活，感受到社會給予的關(guān)心，從而提高他們的生活質(zhì)量。