田宇航+張旭東+陳志遠+呂雪杰+曹珊珊

摘 要 針對市場上導盲系統(tǒng)存在的缺點：成本高、結構復雜、功能少、操作難度高，進而無法實現(xiàn)較好的導盲效果。本設計旨為盲人提供一種行走時，能準確判別前方路況并及時躲避的智能導盲預警系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6作為主控，具有GPS坐標定位、GSM短信發(fā)送、超聲波避障、警報提示等多功能的智能導盲預警系統(tǒng)。經實驗測試，該系統(tǒng)可以成功指導盲人提前躲避障礙物，獲取盲人位置信息，對保障盲人出行安全具有重要意義。

【關鍵詞】智能避障 超聲波測距 GPS定位 STM32 語音導航

1 引言

盲人是指雙目失明或單目失明的人，不同于其他社會群體，他們由于先天或后天的生理缺陷而長期處于“黑暗”生活環(huán)境中，相比于正常人而言，他們的生活有許多不方便，不能準確及時的發(fā)現(xiàn)并躲避障礙物是其中一個重要弊端之一。國際上歐美等發(fā)達國家和國內少數(shù)家庭多采用導盲機器人或導盲犬，導盲效果好但成本較高，難以普及?；诖?，本文結合電子技術與機械結構創(chuàng)新，設計了一款以GPS定位、超聲波測距為主要功能的智能導盲預警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)由超聲波測距單元、語音播報單元、GPS定位單元、信息收發(fā)單元、聲光報警單元及外圍電路構成。采用STM32F106C8T6作為主控，主控在接收到超聲波測距的信息后，可以進行語音提示，指導盲人避讓前方的障礙；通過GPS定位單元，定位用戶的位置并通過信息收發(fā)單元上傳至網絡數(shù)據庫；結合高德地圖接口，借助語音播報實時對用戶進行GPS定位導航。同時考慮在夜晚能見度低時，由聲光報警單元提示來往行人和車輛主動避讓。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 核心控制模塊

本設計所選用的STM32F103C8T6單片機，是一款基于ARM Cortex架構的中等容量增強型微處理控制器，擴展48個GPIO口、FLASH 128KB、工作電壓：2V～3.6V。通過AD接口讀取超聲波測距單元數(shù)據、定時器復用PWM波控制電機的振動頻率、IIC協(xié)議控制語音播報單元、串口獲取GPS定位數(shù)據和發(fā)送數(shù)據至數(shù)據庫、I/O接口控制聲光報警單元。

3.2 超聲波測距單元

根據超聲波測距原理，考慮到在實際使用過程中使用者可能會遇到正前方和腳下存在障礙物的情況，本設計在拐杖安裝兩個超聲波模塊分別測量前方和腳下障礙物的距離。HC-SR04超聲波測距模塊內部集成超聲波發(fā)送接收和控制電路，具有接觸式距離感測功能，距離可達400cm，精度可達2mm，工作電壓：5V。

3.3 GPS定位及信息收發(fā)單元

GPS定位單元由GPS模塊USM-3N和GSM模塊組成， 通過AT指令獲取GPRMC類型數(shù)據，程序解析得到數(shù)據信息（包括：緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向、衛(wèi)星狀況等）。設置采樣間隔1S并將GPS坐標通過GSM模塊實時發(fā)送服務器，家人使用APP訪問服務器以便于獲取盲人當前的位置。APP界面示意圖如圖2所示。

3.4 語音播報單元

語音播報單元使用SYN6288中文語音芯片。此芯片用SSOP28L貼片封裝，具有很多優(yōu)點：較簡單硬件接口資源、低功耗、音色清涼圓潤。主控對接收到的超聲波信號進行數(shù)據處理后，將數(shù)據信息發(fā)送給語音模塊，語音模塊根據對應的指令進行語音播報（包括時間和溫度）。

3.5 聲光報警單元

該單元除用語音播報警示外還添加了人性化的光控制LED燈示警系統(tǒng)，為方便于在夜晚時提醒路過的車輛和行人主動避讓盲人。依據光敏電阻的特性控制LED燈開關，LED燈閃爍引起周圍人員注意。

4 系統(tǒng)軟件設計

（1）通過IIC協(xié)議獲取MPU6050數(shù)據，并通過卡爾曼濾波函數(shù)對原始數(shù)據進行濾波融合，獲取歐拉角，測試數(shù)據時通過串口發(fā)送至上位機，獲取姿態(tài)角數(shù)據。

（2）通過模擬信號協(xié)議獲取兩個超聲波收發(fā)模塊HC-SR04數(shù)據，通過使能T1定時器的PWM的輸入捕獲，復用通道1和通道2進行PWM輸入捕獲，獲取高低電平時間，從而計算出探測距離。

（3）通過STM32接收到的UM220-III_GPS模塊發(fā)出的數(shù)據，對比程序查表信息并讀出地理名稱數(shù)據，發(fā)送給GSM進行數(shù)據發(fā)送至數(shù)據庫，數(shù)據庫通過高德地圖接口，獲取相應的導航信息，再發(fā)送至單片機，進行語音模塊播報。

（4）通過STM32的串口1發(fā)送位置數(shù)據至GSM模塊。

（5）通過I/O口的輸入捕獲，獲取人體傳感器HC-SR501模塊的輸出數(shù)據，判斷是否有人在使用智能拐杖。

（6）控制T2定時器的PWM輸出產生，復用通道1和通道2進行PWM輸出，控制電機的不同強度的振動，以便于障礙物檢測的提醒。

算法流程圖詳如圖3所示。

5 結語

本文設計了一種基于GPS導航、超聲波測距、語音播報的智能導盲預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對盲人前方道路上的障礙物進行距離探測并把障礙物距離信息轉換成語音提示， 盲人可以根據提示音避讓障礙；通過姿態(tài)數(shù)據解算判斷盲人是否摔倒，當盲人摔倒時，GPS定位盲人位置，并將位置信息和報警消息發(fā)送給親人和當?shù)氐木茸o中心。經實驗測試，該系統(tǒng)滿足導盲的實際需求，效果理想，且成本低、性價比高，具有良好的市場應用前景。

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作者簡介

田宇航（1995-），男，河北省張家口人?，F(xiàn)為河北農業(yè)大學電子信息科學與技術專業(yè)在讀本科生。

作者單位

河北農業(yè)大學信息科學與技術學院 河北省保定市 071000