文/張曉靜 蘇廣，邢臺(tái)學(xué)院數(shù)學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院

1 導(dǎo)盲系統(tǒng)總體架構(gòu)

該系統(tǒng)是由使用者手持的盲杖作為數(shù)據(jù)終端，在盲杖上設(shè)置了超聲波傳感器、攝像頭和 GPS 定位模塊，能夠獨(dú)立進(jìn)行超聲波測距和圖像數(shù)據(jù)采集分析，從而獨(dú)立的進(jìn)行語音提示導(dǎo)盲；另外，在盲杖上還裝有 4G 物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，與中心服務(wù)器相連接，并把自己的 GPS 位置信息和盲杖的身份 ID 發(fā)送到上端中心服務(wù)器。

在有條件的導(dǎo)盲區(qū)域內(nèi)，比如盲道內(nèi)和交通路口，可以適當(dāng)布置 RFID 射頻模塊、攝像頭，在室內(nèi)人員較少區(qū)域可布置紅外傳感器模塊，這些模塊可對周邊環(huán)境進(jìn)行檢測，并把檢測數(shù)據(jù)通過4G物聯(lián)網(wǎng)通信模塊發(fā)送到中心服務(wù)器，中心服務(wù)器匹配進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)的使用者信息 ID和 GPS 位置信息，并根據(jù)該區(qū)域內(nèi)由 RFID 的射頻模塊和紅外模塊發(fā)送回來的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后與終端盲杖建立通信，進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)盲。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

2 導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分別為終端盲杖子系統(tǒng)和中心服務(wù)器子系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)都具有獨(dú)立的工作能力。

2.1 終端導(dǎo)盲子系統(tǒng)

終端系統(tǒng)主控模塊采用的MCU是STM32F103系列單片機(jī)，主要完成對其他模塊的控制和數(shù)據(jù)處理工作。

超聲波模塊其結(jié)構(gòu)主要由超聲波集成模塊、振蕩器、定時(shí)器來構(gòu)成，當(dāng)檢測到外部障礙信號，進(jìn)而控制語音模塊發(fā)出報(bào)警信息。溫濕度傳感器模塊針對盲障人士的生理特征，對當(dāng)前環(huán)境的溫濕度進(jìn)行采集傳送給STM32主控制，通過用戶按動(dòng)播放許可按鈕，播放信息。

GPS模塊實(shí)現(xiàn)對定位信息的采集，傳輸給主控器，供用戶進(jìn)行判斷行進(jìn)方向是否正確。攝像頭模塊采集盲道上的信息，當(dāng)盲道上有遮擋物的時(shí)候，MCU根據(jù)圖像處理算法判斷障礙物的大小、遠(yuǎn)近，進(jìn)而對用戶進(jìn)行警示。4G通信模塊用于終端系統(tǒng)和中心服務(wù)器系統(tǒng)進(jìn)行通信，當(dāng)進(jìn)入讀寫器區(qū)域后，導(dǎo)盲模式切換到聯(lián)網(wǎng)模式，中心服務(wù)器子系統(tǒng)提供的周邊環(huán)境信息通過4G模塊傳輸給終端系統(tǒng)，終端語音實(shí)現(xiàn)播報(bào)導(dǎo)盲。

2.2 服務(wù)器子系統(tǒng)

中心服務(wù)器子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)分析和處理服務(wù)器作為控制系統(tǒng)、4G通信模塊、攝像頭數(shù)據(jù)采集、RFID 射頻識別數(shù)據(jù)采集以及紅外數(shù)據(jù)采集傳感器等。其中攝像頭和紅外傳感器采集周邊環(huán)境信息數(shù)據(jù)，并通過 4G 通信模塊送中心服務(wù)器；RFID與盲杖上的身份識別 RFID 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，并向服務(wù)器發(fā)送信息，表明使用者進(jìn)入該RFID 區(qū)域，中心服務(wù)器通過攝像頭和紅外信息以及 GPS 信息對周邊環(huán)境進(jìn)行檢測并導(dǎo)盲，當(dāng)使用者進(jìn)入下一 RFID 模塊控制區(qū)域時(shí)，將由中心服務(wù)器控制進(jìn)行數(shù)據(jù)接力，對下一區(qū)域的環(huán)境進(jìn)行檢測和導(dǎo)盲。

同時(shí)，當(dāng)有多位使用者進(jìn)入導(dǎo)盲區(qū)域時(shí)，中心服務(wù)器系統(tǒng)應(yīng)為每一個(gè)使用者單開一個(gè)進(jìn)程，為每一個(gè)使用者進(jìn)行獨(dú)立的大數(shù)據(jù)分析和導(dǎo)盲。當(dāng)使用者進(jìn)入或者走出聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)盲有效區(qū)域時(shí)，由中心服務(wù)器控制使用者終端系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)模式和獨(dú)立導(dǎo)盲模式的切換。

3 導(dǎo)盲系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從軟件設(shè)計(jì)上來說，系統(tǒng)應(yīng)分為兩種模式，即獨(dú)立模式和聯(lián)網(wǎng)模式。當(dāng)使用者進(jìn)入安裝環(huán)境檢測傳感器的有效導(dǎo)盲區(qū)域內(nèi)時(shí)，中心服務(wù)器自動(dòng)接入聯(lián)網(wǎng)模式，并由中心服務(wù)器進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)盲；當(dāng)使用者即將走出有效導(dǎo)盲區(qū)域時(shí)，中心服務(wù)器切換為獨(dú)立模式，此時(shí)中心服務(wù)器與盲杖不再建立連接，由盲杖上的導(dǎo)盲系統(tǒng)結(jié)合自身攝像頭和超聲波傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立導(dǎo)盲和壁障。

在設(shè)計(jì)獨(dú)立導(dǎo)盲模式時(shí)，障礙物采用聯(lián)合避障導(dǎo)盲方式，以圖像識別為主，超聲波避障為輔助方式。圖像識別采用SURF 算法，可有效克服圖像由于遠(yuǎn)近和環(huán)境因素對識別準(zhǔn)確率造成的影響。

4 結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在導(dǎo)盲系統(tǒng)的應(yīng)用主要是聯(lián)網(wǎng)模式下，基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集海量數(shù)據(jù)到中心服務(wù)器，這主要包括 GPS 數(shù)據(jù)、攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)、RFID 數(shù)據(jù)、紅外傳感數(shù)據(jù)以及溫濕度數(shù)據(jù)等，還有從天氣網(wǎng)站獲得的天氣數(shù)據(jù)，能夠更全面把握周邊環(huán)境信息。

獨(dú)立導(dǎo)盲模式上采用圖像識別為主，超聲波壁障為輔助的導(dǎo)盲方式。圖像識別采用SURF 算法，可有效克服圖像由于遠(yuǎn)近和環(huán)境因素對識別準(zhǔn)確率造成的影響。