柴亞南 馬玲玲

摘 要： 針對目前城市盲道主要采用盲人腳底感覺區(qū)別盲道來引導盲人出行中存在的一些問題，設計一種新型的基于敷設釹鐵硼磁鐵的盲道和手持探測棒系統(tǒng)，給出詳細的設計原理圖及方法。該系統(tǒng)的盲道與現有的盲道不同，它將原有的盲道敷設的地面磚換成具有磁性材料的地面磚，使用單片機、磁性傳感器系統(tǒng)和藍牙模塊構成的磁性探測棒進行探測，具有磁性檢測靈敏度、提示音量可調節(jié)等優(yōu)點，并可以通過藍牙模塊，配合基于百度地圖開發(fā)的盲人手機的導航APP，語音提示當前的地理位置，也可以通過探測棒上的蜂鳴器提示是否行走在盲人道內，極大地方便了盲人的出行。該系統(tǒng)設計構造簡單、使用方便，通過實際測試和實驗，達到了最初的設計目的。

關鍵詞： 盲道； 探測棒； 釹鐵硼磁鐵； 藍牙模塊； 磁性傳感器系統(tǒng)； 導航APP

中圖分類號： TN215?34； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0041?03

Design and realization of a new blind lane and detector

CHAI Yanan1， MA Lingling2

（1. School of Electrical Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China； 2. Shandong University， Jinan 250061， China）

Abstract： In allusion to the problems existing in the current outgoing guidance of blind people who discriminate blind lanes in cities by relying on feeling of their feet， a new system of blind lane based on laying of neodymium magnets and hand?held detection bar is designed. The detailed diagram and method of the design principle are given. The blind lane of the system is different from the current blind lane. The original ground bricks laid on blind lanes are substituted by the ground bricks with magnetic materials. The magnetic detection bar composed of the SCM， magnetic sensor system and Bluetooth module is used for detection， which has the advantages of sensitive magnetic detection and adjustable beep volume. Voice prompt of the current geographic position can be realized by using the Bluetooth module matched with blind people′s navigational mobile APP developed based on the Baidu map. The blind people can be reminded whether they are on the blind lane via the buzzer on the detection bar， which greatly facilitates the outgoing of blind people. The system has simple design construction， and is easy to use. The actual test and experiment show that the system has achieved the initial design purpose.

Keywords： blind lane； detection bar； neodymium magnet； Bluetooth module； magnetic sensor system； navigational APP

隨著物聯網絡的發(fā)展和應用的普及推廣，各種以傳感器和無線網絡為通信基礎的應用不斷出現，為不同的應用提供了極大的方便。但是，如何讓那些殘疾人享受到新技術帶來的方便，成為一個重要的研究領域。目前各個城市在道路建設過程中，為了考慮到盲人行走的方便，都拿出一定的范圍修建了盲人步道。它主要是通過路面花紋的不同，通過盲人腳底的感覺區(qū)別盲道，從而引導盲人的出行。但是它存在一個問題，由于鞋底的厚度不同，有時腳底的感覺不是很明顯。而且由于路面的花紋凹凸不平，容易造成絆倒事故的發(fā)生。最重要的是盲人行走過程中無法知道自己目前行走的位置。

針對這些問題，設計一個基于永磁材料的新型盲道和基于此盲道的探測棒，這種盲道的路面與正常路面一樣平整，只是在其中間加入了永磁材料。盲人在出行時，通過手持的磁場檢測棒就可以探測到盲人步道，當探測棒保持在磁塊的磁場內，探測棒無聲音，當超出磁場范圍時，探測棒則發(fā)出滴滴聲音，從而提示和引導盲人行走在正確的盲人步道上。該系統(tǒng)使用范圍廣泛不僅可以用在各種城鄉(xiāng)道路，也可以用在社區(qū)道路、家庭等室內場所。

1 磁性盲道的構成

基于磁珠磁場的磁性盲道的設計原理很簡單，敷設方法也不復雜。在道路建設時，按照磁塊的磁場強度設置不同的磁塊密度和深度，也可以在敷設盲人道的水泥磚中預先敷設磁塊，然后利用這些水泥塊敷設盲人道。

通常永強磁磁塊的磁場強度表面高斯在2 000以上，剩磁高斯在1 200以上。由于磁珠價格很便宜，因此，這款磁性盲道的造價不高。磁塊的敷設密度可以根據需要而定，通常密度設計在前后左右各10 cm的間距，深度為2 cm，路面的磁場強度在10 Gs以上為好。磁性盲道的基本結構圖如圖1所示。

2 探測棒系統(tǒng)

在磁性盲道的基礎上，磁性探測棒的設計是至關重要的，它是盲人出行的主要工具，因此，探測棒的設計要求體積小、輕便、耗電省、靈敏度可調，須支持聲音提示。因此系統(tǒng)由單片機、霍爾磁性傳感器、放大電路、藍牙模塊、靈敏度與音量調節(jié)電路和電源部分組成。

為了實現輕便、省電和減少外圍電路，采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機。C8051F410的顯著特點除了峰值運算速度能達到100 MIPS之外，片內還集成了高精度的ADC和DAC、震蕩電路，而且僅需要很少的片外電路。因此，完全代替了專門的DAC/ADC。Silicon Labs公司為C8051F系列單片機提供了豐富的開發(fā)工具，這些工具能為用戶提供許多設置代碼，減少了開發(fā)人員的工作和產生的錯誤。這也是C8051F比AVR等其他MPU有優(yōu)勢的地方[1]。探測棒的組成部分如圖2所示。其中MPU的電源部分通過AMS1117?轉換為3.3 V，探頭部分采用5 V，SW為靈敏度設置開關，R2為蜂鳴器聲音的調節(jié)開關；藍牙串口模塊采用市場常見的串口轉藍牙模塊。

該系統(tǒng)的關鍵部分是磁敏探頭的傳感器選擇和設計，除了在盲道建設時對磁塊的磁場強度有一定要求之外，探測棒對磁場強度的靈敏度就是系統(tǒng)的關鍵。因此，需要選擇靈敏度高、性能穩(wěn)定的磁性傳感器。

該系統(tǒng)選用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1002，它是小型集成電路封裝（SOIC）的雙磁場傳感器，兩只傳感器的敏感方向互相垂直。這里選擇雙軸磁阻傳感器的原因是盲道敷設時磁塊的方向不規(guī)則，造成各個磁塊的N?S極方向不規(guī)則，造成無法檢測磁場強度，降低了檢測靈敏度。傳感器A感應與外封裝長邊方向平行的磁場，傳感器B感應與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場[2]。HMCl002對于±2 Gs（1 Gs=10-4 T）范圍內的磁場很敏感，具有靈敏度為3.2 mV/V的線性輸出，分辨力為27 μGs。電路原理圖如圖3所示。

電路中，HMC1002為雙軸磁場傳感器，用于測量x軸方向和y軸方向的磁場強度。HMC1002輸出的兩路電壓信號分別經過AMP04（A1和A2）放大后，接到C8051F410的A/D轉換接口。

由于磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機的磁區(qū)域，從而導致靈敏度衰減。環(huán)境中的強磁場（大于5×10-4 T時）會導致磁傳感器輸出信號變異，為了消除這種影響并使輸出信號達到最佳，就需要應用磁開關技術（SR+/SR-）來抵消剩余磁場。HMC1002是借助一個偏置磁場以補償干擾磁場，即通過集成在芯片內部的置位/復位合金帶對薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈沖電流重新將磁區(qū)域對準，統(tǒng)一到一個方向上，這樣，可確保高靈敏度和可重復的讀數。

為了確保HMC1002的穩(wěn)定和測試精度，C8051F410在讀取HMC1002的數據前，先通過IFR7105施加一個復位脈沖，然后讀取HMC1002的x和y軸數據，從而實現低噪聲和高靈敏度的磁場測量。

IFR7105是一個低閾值的FET場效應管，在2.7 V時提供0.3 Ω的低接通電阻。

3 系統(tǒng)程序流程

該系統(tǒng)采用Keil C51平臺開發(fā)，Keil μVision2 C51是目前功能最強大的單片機C語言集成開發(fā)環(huán)境，適用于多種單片機系統(tǒng)開發(fā)，Keil C51軟件提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發(fā)調試工具，全Windows界面。可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發(fā)流程[3]。Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現高級語言的優(yōu)勢。

由于C8051F410內部采用Crossbar技術，使用非常靈活方便。因此，在程序的開始，必須對C8051F410進行初始化。初始化主要是設置系統(tǒng)的主頻、串口波特率、A/D端口的選擇等，該系統(tǒng)設計主頻為25 MHz，串口參數為9600，N，8，1，A/D端口x軸為P1.0，y軸為P1.1?？梢圆捎肧ilcon 公司提供的CONFIG工具軟件進行配置，然后拷貝配置代碼到程序的初始化子程序中。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。

程序進入運行時，每隔1 s讀取一次磁性傳感器數據，在讀取數據前進行一次復位操作，然后首先讀取x軸的數據，如果讀取的數據大于規(guī)定的值，則向藍牙串口模塊發(fā)送一次信息，然后返回到開始位置；如果x軸數據小于規(guī)定的值，則讀取y軸的數據，如果y軸數據大于規(guī)定的值，同時向藍牙串口模塊發(fā)送一次信息，也返回開始位置。否則，則啟動一次蜂鳴器。蜂鳴器響表示行走在超出了盲人步道范圍。隨著探測棒的移動，周而復始上述過程。程序中的中斷服務程序采用外部終端方式，主要完成靈敏度參數G的設置，每按一次開關S，數值G增加10，當G=100時，返回到1。這里實際上調整的是A/D端檢測到的電壓數值，電壓值越小，靈敏度越高。另外，系統(tǒng)采用了藍牙系統(tǒng)與手機聯接，發(fā)送到藍牙的信息內容僅是目前行走在正常盲道，利用手機APP的電子地圖實現語音提示當前的道路名稱位置，由于篇幅問題，有關手機APP的設計問題將在另文詳解，這里就不多贅述了。

4 結 論

本文介紹了一種基于磁場感應的盲道和探測棒系統(tǒng)，該系統(tǒng)構造簡單，成本低，使用方便，能極大地提高盲人出行的便利性。系統(tǒng)采用模塊化結構，電源采用Micro USB接口作為系統(tǒng)的更新和充電，便于系統(tǒng)的升級和維護。通過實際測試達到了很好的效果。

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