秦凡++張善文++趙寶輝++王祖良

摘 要：目前，由于市場(chǎng)上的導(dǎo)盲拐杖功能比較單一，無(wú)法滿(mǎn)足盲人的需要。針對(duì)這一問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能導(dǎo)盲拐杖。該款產(chǎn)品以STM32為主控制器，具有語(yǔ)音提示、進(jìn)行時(shí)間播報(bào)、發(fā)出警告、超聲波避障、GPS定位及角度測(cè)量防摔功能，可實(shí)時(shí)觀測(cè)盲人的具體位置，防止其走丟。

關(guān)鍵詞：避障；GPS定位；導(dǎo)盲拐杖；STM32

中圖分類(lèi)號(hào)：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

目前，市場(chǎng)上的導(dǎo)盲拐杖功能單一，無(wú)法滿(mǎn)足盲人的需求。盲人外出時(shí)會(huì)遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況，或者因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人不在而走丟等。因此，本文利用現(xiàn)代已有技術(shù)，研究出一種新型導(dǎo)盲系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)障礙物避障功能，語(yǔ)音提示功能，語(yǔ)音報(bào)時(shí)功能，角度測(cè)量防摔功能以及GPS定位功能，以幫助盲人解決出行時(shí)遇到的問(wèn)題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)所構(gòu)建的基于STM32處理器的電子導(dǎo)盲系統(tǒng)主要針對(duì)盲人這一特殊人群所設(shè)計(jì)，旨在方便盲人出行，為其創(chuàng)造一個(gè)更加安全的環(huán)境。通過(guò)綜合應(yīng)用STM32控制、超聲波測(cè)距、角度測(cè)量、GPS定位等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。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；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；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。導(dǎo)盲拐杖整體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器選擇

本導(dǎo)盲系統(tǒng)采用STM32作為主要的控制電路，STM32控制器相較于51單片機(jī)，擁有主頻率更高、處理能力更強(qiáng)、耗能低、成本低等特點(diǎn)，是一款性?xún)r(jià)比較高的嵌入式處理器。同時(shí)還具有PWM、DA、AD等常用外設(shè)，使用方便，只需32.768 kHz的晶振頻率和3 V的電壓即可工作。

2.2 超聲波避障模塊設(shè)計(jì)

利用超聲波避障的好處在于測(cè)量方式簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低，覆蓋面廣。超聲波避障模塊的原理與雷達(dá)測(cè)物的原理極為相似，超聲波發(fā)射器從某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物時(shí)發(fā)出的超聲波會(huì)立即返回，超聲波接收器接收被反射回的超聲波則計(jì)時(shí)停止。由s=tv/2就可計(jì)算出障礙物的距離。本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波傳感器，該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)距精準(zhǔn)。

STM32主控制電路發(fā)送40 kHz的脈沖信號(hào)，超聲波發(fā)射器發(fā)射信號(hào)后，經(jīng)超聲波換能器處理后轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)，當(dāng)探測(cè)到前方的障礙物時(shí)，將超聲波所測(cè)得的距離發(fā)送給語(yǔ)音模塊，從而提醒盲人成功避開(kāi)障礙物。

2.3 角度測(cè)量防摔模塊

角度測(cè)量防摔模塊應(yīng)用角度傳感器來(lái)測(cè)量角度。當(dāng)盲人行走，由于地面不平導(dǎo)致盲人身體傾斜或?qū)⑺さ箷r(shí)，當(dāng)角度探測(cè)小于30°，則認(rèn)為盲人即將摔倒，角度測(cè)量器把信息傳給警報(bào)模塊，警報(bào)模塊發(fā)出警報(bào)，通知監(jiān)護(hù)人，由監(jiān)護(hù)人迅速將盲人扶穩(wěn)。

2.4 警報(bào)模塊

警報(bào)模塊將蜂鳴器與角度測(cè)量模塊相結(jié)合，為監(jiān)護(hù)人提供盲人的信息。當(dāng)角度測(cè)量器檢測(cè)到拐杖的角度小于30°時(shí)，此時(shí)，STM32主控制電路啟動(dòng)蜂鳴器，提醒監(jiān)護(hù)人。蜂鳴器電路如圖2所示。

2.5 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS技術(shù)從根本上解決了定位問(wèn)題。由衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶(hù)接收到信息后，經(jīng)計(jì)算，求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。

在設(shè)計(jì)GPS模塊時(shí)，考慮到定位的精確性，選用SIM808GPS傳感器模塊。此模塊的優(yōu)點(diǎn)在于覆蓋范圍廣，開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)小，易于安裝，模塊主要包括主機(jī)、接收機(jī)和電源三部分。電源模塊主要與STM32主處理器相連，通過(guò)STM32為其供電，可使GPS模塊正常使用；接收機(jī)主要接收經(jīng)緯度信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。通過(guò)接收到的經(jīng)緯度信息判斷盲人所處的具體位置。

2.6 語(yǔ)音提示模塊

考慮到產(chǎn)品的對(duì)象為盲人，因此本設(shè)計(jì)加入語(yǔ)音提示模塊及語(yǔ)音時(shí)間播報(bào)功能，主要對(duì)盲人進(jìn)行語(yǔ)音提醒。語(yǔ)音模塊與超聲波測(cè)距模塊相結(jié)合，可時(shí)刻提醒盲人前方障礙物的情況。由于盲人在出行時(shí)無(wú)法知道時(shí)間，因此設(shè)計(jì)有定時(shí)播報(bào)時(shí)間。語(yǔ)音芯片采用SYN6288中文芯片，此芯片具有低功耗，接口簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。STM32主控制器的串行接口與SYN6288語(yǔ)音芯片通信，對(duì)其發(fā)送控制命令和文本，然后語(yǔ)音芯片將接收到的文本合成為語(yǔ)音芯片信號(hào)輸出。

2.7 電源模塊

電源模塊主要是為整個(gè)導(dǎo)盲系統(tǒng)提供電源，使其可正常工作。在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，由于GPS耗電量較大，不僅要考慮節(jié)能，還要考慮用電量的問(wèn)題，因此采用可充電的鎳鎘電池。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波檢測(cè)流程圖

超聲波測(cè)距是本系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其測(cè)距軟件流程如圖3所示。

先將系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)超聲波模塊發(fā)射超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，看接收器能否接收到回波，若沒(méi)有接收到回波，則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作；若接收到回波，則計(jì)數(shù)器停止工作，并將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算器，由于超聲波模塊測(cè)距與溫度有關(guān)，因此需要在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前對(duì)其進(jìn)行溫度修正，方可得到比較精確的距離。

3.2 跌倒檢測(cè)告警流程圖

為防止盲人將跌倒時(shí)監(jiān)護(hù)人未發(fā)現(xiàn)的情況出現(xiàn)，在程序中設(shè)定了相應(yīng)程序，即盲人在行走時(shí)，角度測(cè)量器判斷拐杖的角度是否小于30°，若不小于則繼續(xù)測(cè)量，若小于30°，則認(rèn)為盲人將摔倒，此時(shí)STM32主處理器啟動(dòng)蜂鳴器，從而使監(jiān)護(hù)人迅速意識(shí)到盲人的情況。圖4所示為角度檢測(cè)流程圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于角度傳感器可檢測(cè)拐杖狀態(tài)，當(dāng)盲人不慎摔倒時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)蜂鳴器告知盲人當(dāng)前的情況，使監(jiān)護(hù)人迅速反應(yīng)攙扶盲人。當(dāng)遇到障礙物時(shí)通過(guò)超聲波測(cè)算障礙物距離進(jìn)行語(yǔ)音提示，提示盲人自身位置與障礙物間的距離，通過(guò)GPS對(duì)盲人進(jìn)行精確定位，從而獲得盲人的精確位置，防止其走丟。本設(shè)計(jì)具有成本低，障礙物檢測(cè)精度高，跌摔檢測(cè)可靠等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足盲人朋友的需求，便于推廣使用。

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