黎劍彬 吳中健 林祥輝 黃祖儀 陽(yáng)韜

摘要：為解決盲人的日常生活出行問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STM32單片機(jī)的可穿戴式導(dǎo)盲器，系統(tǒng)運(yùn)用了紅外測(cè)距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風(fēng)等，無(wú)線(xiàn)通信選擇藍(lán)牙，通過(guò)耳機(jī)和馬達(dá)振動(dòng)進(jìn)行提醒，紅外測(cè)距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風(fēng)、百度地圖模塊等，無(wú)線(xiàn)通信選擇藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的識(shí)別，對(duì)路況的實(shí)時(shí)分析探測(cè)，并過(guò)耳機(jī)和馬達(dá)振動(dòng)進(jìn)行提醒等功能。

關(guān)鍵詞：可穿戴;導(dǎo)盲系統(tǒng);無(wú)線(xiàn)通信;實(shí)時(shí)定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）10-0235-03

Abstract： In order to solve the daily travel problems of the blind， a wearable blind guide based on STM32 microcontroller is designed. The system uses infrared rangefinders， ultrasonic sensors， cameras， gyroscopes， microphones， etc.， wireless communication selects Bluetooth， through Earphone and motor vibration reminder， infrared rangefinder， ultrasonic sensor， camera， gyroscope， microphone， Baidu map module， etc.， wireless communication selects Bluetooth to realize object recognition， real-time analysis and detection of road conditions， and use earphone and motor Vibrate to remind and other functions.

Key words： Wearable; Guide system; Wireless communication; Real-time positioning

據(jù)2019年世衛(wèi)組織發(fā)布的首份《世界視力報(bào)告》其中表明全球至少有22億人視力受損或失明，而中國(guó)在2016年，視障人數(shù)的數(shù)量已經(jīng)迅速增長(zhǎng)到了1731萬(wàn)人，大約每八十個(gè)人就有一名失明人士，我國(guó)的盲道設(shè)計(jì)得不合理、被占用、被破壞等一系列原因，導(dǎo)致視障人士的外出變得更加的困難，因此我們想設(shè)計(jì)制造一個(gè)可穿戴的導(dǎo)盲器，通過(guò)紅外傳感器的檢測(cè)距離，計(jì)算機(jī)視覺(jué)對(duì)物體的檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)、系統(tǒng)對(duì)各種數(shù)據(jù)的處理，分析出路面的實(shí)際實(shí)時(shí)狀況，通過(guò)語(yǔ)音和振動(dòng)等方法告知有視力障礙的使用者，最終達(dá)到安全順利的出行。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

可穿戴式導(dǎo)盲器系統(tǒng)是以單片機(jī)為主體，單片機(jī)使用的是STM32，傳感器包括紅外測(cè)距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風(fēng)等，無(wú)線(xiàn)通信選擇藍(lán)牙，通過(guò)耳機(jī)和馬達(dá)振動(dòng)。

進(jìn)行提醒，并集成GPS百度地圖模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，記錄出行信息，通過(guò)語(yǔ)音模塊，識(shí)別用戶(hù)的指令，為其規(guī)劃出行最佳路線(xiàn)，還有陀螺儀進(jìn)行意外檢測(cè)，檢測(cè)到摔倒后通過(guò)藍(lán)牙模塊給手機(jī)里的APP發(fā)送警報(bào)消息進(jìn)行聯(lián)系家人，家人可以通過(guò)APP得知用戶(hù)的實(shí)時(shí)位置，必要時(shí)還可以調(diào)用用戶(hù)的攝像頭，檢測(cè)查看用戶(hù)的實(shí)時(shí)狀況?？傁到y(tǒng)框圖如下（圖1）所示。

2系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1障礙物測(cè)距

障礙物測(cè)距使用到ATK-VL53L0X模塊（圖2），在STM32CubeMX上配置好串口，設(shè)置串口波特率、發(fā)送接收、中斷使能。調(diào)用HAL_Transmit_IT（）函數(shù)收到傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)的時(shí)候發(fā)生中斷（HAL_UART_RxCpltCallback（）），判斷障礙物是否過(guò)達(dá)到危險(xiǎn)距離。傳感器可以通過(guò)直接調(diào)取vl53l0x_api.c提供的API函數(shù)進(jìn)行使用。

2.2攝像頭

實(shí)驗(yàn)使用OV7725攝像頭（圖3），攝像頭與單片機(jī)相應(yīng)引腳相接，設(shè)置OV7725寄存器（一百多個(gè)），把寄存器的地址存在一個(gè)二維數(shù)組里面，初始化用for循環(huán)調(diào)用寄存器函數(shù)，采用QVGA分辨率。

2.3視覺(jué)識(shí)別障礙物、路況

本圖像識(shí)別系統(tǒng)使用了攝像頭、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、圖像處理器和相關(guān)電子電路構(gòu)成的，網(wǎng)絡(luò)采用YOLOV3，可穿戴式導(dǎo)盲器系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行圖像識(shí)別的能力，把識(shí)別到的物體結(jié)合紅外探測(cè)模塊獲得物體的距離等數(shù)據(jù)，送到處理器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合處理，處理后的內(nèi)容，通過(guò)語(yǔ)音告訴使用者前方什么位置有什么樣的物體，需要怎么避開(kāi)等內(nèi)容。采用OV7725攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，采用的是QVGA ，即分辨率為640*480的輸出格式，并用FIFO芯片（AL422B）z暫時(shí)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，把視頻分解成一幀一幀的圖片，并進(jìn)行尺寸的調(diào)整，來(lái)輸入到Y(jié)OLOV3的DARKNET53進(jìn)行特征提取，需進(jìn)行多次的卷積、殘差、激活，獲得三個(gè)不同尺度的中間輸出結(jié)果，接著上采樣、拼接或者卷積通道調(diào)整進(jìn)行分類(lèi)預(yù)測(cè)和回歸預(yù)測(cè)等操作，V3為每種尺度設(shè)定三種先驗(yàn)框，一共有九個(gè)不同尺寸的先驗(yàn)框，用于檢測(cè)不同尺寸大小的物體，最終獲得三個(gè)不同尺度圖片下的預(yù)測(cè)結(jié)果（其中yolov3的預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)對(duì)先驗(yàn)框進(jìn)行調(diào)整，獲得最終的預(yù)測(cè)框，為解碼部分），最終把框畫(huà)在圖像的物體上，并進(jìn)行類(lèi)別注釋等。（圖4）

2.4麥克風(fēng)，語(yǔ)音助手語(yǔ)音識(shí)別

使用者通過(guò)手機(jī)內(nèi)置語(yǔ)音助手進(jìn)行語(yǔ)音命令的輸入，相當(dāng)于在導(dǎo)盲器上增加一個(gè)藍(lán)牙耳機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙耳機(jī)對(duì)手機(jī)上的語(yǔ)音助手進(jìn)行對(duì)手機(jī)的操控，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能。單片機(jī)利用終端，在緊急情況時(shí)馬上停止導(dǎo)航，提醒視障人士注意障礙物。

2.5揚(yáng)聲器、振動(dòng)模塊進(jìn)行提醒

當(dāng)攝像頭和測(cè)距模塊共同認(rèn)定障礙物后，單片機(jī)給對(duì)應(yīng)的震動(dòng)模塊串口高電平，使導(dǎo)盲器震動(dòng)，并且通過(guò)揚(yáng)聲器播報(bào)障礙物距離。STM32利用SPI讀取SD卡里面的音頻，再通過(guò)SPI與音頻解碼器通信，最后播報(bào)給視障人士。（圖5）

2.6手機(jī)APP

手機(jī)APP通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙連接導(dǎo)盲器，給導(dǎo)盲器提供導(dǎo)航服務(wù)，并且實(shí)時(shí)分享視障人士的位置給到他們的家人，并且記錄下盲人一天為單位的行駛路線(xiàn)，記錄常走路段的常見(jiàn)障礙物，提前提醒。為了方便盲人準(zhǔn)確按鍵，在盲人端設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)潔的大按鍵，而家屬端設(shè)計(jì)為地圖可視化的樣式，可以通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)時(shí)看到盲人所在位置。盲人和家屬共用一個(gè)賬號(hào)，方便盲人端和家屬端的連接。

盲人使用：在APP制作時(shí)加入標(biāo)準(zhǔn)的盲人提示語(yǔ)音支持，在界面設(shè)計(jì)上減少頁(yè)面跳轉(zhuǎn)次數(shù)，提示語(yǔ)言使用簡(jiǎn)潔易懂的語(yǔ)言進(jìn)行提示。

藍(lán)牙連接：獲取藍(lán)牙訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限，為了方便盲人使用，設(shè)置為自動(dòng)式打開(kāi)藍(lán)牙，搜索周?chē){(lán)牙設(shè)備，獲取目的設(shè)備信息：MAC地址、serviceUUID、charactersticUUID等，連接設(shè)備。根據(jù)所選用的通訊協(xié)議，編寫(xiě)相關(guān)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)連接，設(shè)置相關(guān)監(jiān)聽(tīng)器等，為數(shù)據(jù)傳輸做鋪墊。

導(dǎo)航：申請(qǐng)KEY，導(dǎo)入相關(guān)開(kāi)發(fā)包，選擇高精度定位模式，支持室外精確服務(wù)，是導(dǎo)盲器能正確導(dǎo)航的基礎(chǔ)。利用相關(guān)接口把獲取到的經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)為文字地址，把行駛路線(xiàn)記錄下來(lái)，保存至服務(wù)器，提供給有權(quán)限的賬戶(hù)查看。在家屬端放置Map View 控件、MyLocationData（）.bulider類(lèi)、BaiduMap類(lèi)等相關(guān)方法，當(dāng)定位到盲人端當(dāng)前位置時(shí)，在OnReceiveLocation（）方法中直接把BDLocation對(duì)象傳給navigateTo（）方法，目標(biāo)所在位置就會(huì)顯示在可視化地圖中，直觀、明了。盲人出發(fā)前提設(shè)置好目的地，由APP為其進(jìn)行最佳路線(xiàn)規(guī)劃。

數(shù)據(jù)庫(kù)：利用數(shù)據(jù)庫(kù)記錄保存盲人行走路線(xiàn)，路線(xiàn)常見(jiàn)障礙物等信息。使用LitePal數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，記錄下時(shí)間、天氣、路況、常見(jiàn)障礙物和常走路線(xiàn)等信息，也把從服務(wù)器獲取的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地。把相關(guān)信息從本地上傳到服務(wù)器。

SOS功能：當(dāng)其遇到突發(fā)狀況時(shí)，可通過(guò)導(dǎo)盲器觸發(fā)，或者路人幫忙SOS功能，手機(jī)發(fā)送消息到服務(wù)器，服務(wù)器再通知家屬賬號(hào)。（圖6）

查找設(shè)備：盲人選擇查找設(shè)備功能時(shí)，給導(dǎo)盲器發(fā)出信號(hào)，只要藍(lán)牙還在連接狀態(tài)下就能令其發(fā)出聲響，從而引導(dǎo)盲人找到導(dǎo)盲設(shè)備。

聯(lián)動(dòng)提醒：在導(dǎo)盲器發(fā)現(xiàn)異常的時(shí)候，通過(guò)局域網(wǎng)連接的APP將發(fā)出信號(hào)喚醒機(jī)器，然后對(duì)使用振動(dòng)、鈴聲等方式增強(qiáng)提醒的效果。

應(yīng)用發(fā)布：生成正式簽名的APK文件，在應(yīng)用商店申請(qǐng)開(kāi)發(fā)者賬號(hào)，在上面發(fā)布應(yīng)用程序。

2.7 web服務(wù)器設(shè)計(jì)

通過(guò)購(gòu)買(mǎi)阿里云、騰訊云等云服務(wù)器的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期及穩(wěn)定的基礎(chǔ)服務(wù)運(yùn)作。

為了保證能在大部分情況下的可用性，將提供一個(gè)前端站點(diǎn)可視化展示可用的操作及數(shù)據(jù)，在站點(diǎn)設(shè)計(jì)上增加語(yǔ)音提醒功能使盲人可以正常使用站點(diǎn)的大部分功能。提供賬號(hào)綁定、緊急聯(lián)系人綁定、設(shè)備定位、軌跡圖表等操作。

同時(shí)，提供可供編程調(diào)用的API接口，使導(dǎo)盲器能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，存儲(chǔ)諸如設(shè)備當(dāng)前位置、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備移動(dòng)軌跡等信息。同時(shí)在服務(wù)器存儲(chǔ)的導(dǎo)盲器上傳的信息，可以在設(shè)備后續(xù)開(kāi)發(fā)時(shí)提供開(kāi)發(fā)參考，此外通過(guò)站點(diǎn)的可視化圖表，將數(shù)據(jù)整理成為人可以識(shí)別的信息，提供更多元化的信息展示。

當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)API接口傳輸?shù)椒?wù)器之后，數(shù)據(jù)經(jīng)由mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的存儲(chǔ)嗎，同時(shí)在保證個(gè)人隱私的前提下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、可視化展示。在使用者或其家屬需要找到設(shè)備位置的時(shí)候提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

考慮到導(dǎo)盲器不同于普通導(dǎo)航的復(fù)雜情況，故需要對(duì)導(dǎo)盲器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)一步處理成道路通暢度信息，后期使用程序?qū)Φ貓D的相關(guān)道路進(jìn)行標(biāo)注，重新優(yōu)化地圖的路線(xiàn)配置，從而建立更優(yōu)質(zhì)的模型，輸出專(zhuān)屬于盲人的導(dǎo)航路線(xiàn)。

3外觀設(shè)計(jì)

為了導(dǎo)盲器容易穿戴，方便攜帶并且能達(dá)到前后觀測(cè)路況，我們把導(dǎo)盲器設(shè)計(jì)成圍脖形狀。視障人士只需要把設(shè)備套在脖子上即可使用（圖7）。設(shè)備左方是SOS按鈕，右方是開(kāi)關(guān)按鈕，前方有測(cè)距模塊，前后皆有攝像頭（圖8），用于監(jiān)測(cè)路況。內(nèi)置振動(dòng)模塊，揚(yáng)聲器模塊，用于提醒用戶(hù)。

4結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是以STM32為核心，利用紅外測(cè)距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風(fēng)等傳感器，無(wú)線(xiàn)通信選擇藍(lán)牙，通過(guò)耳機(jī)和馬達(dá)振動(dòng)，手機(jī)APP的集合運(yùn)用，達(dá)到實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，識(shí)別障礙物，識(shí)別紅綠燈，識(shí)別日常使用的物品，使用語(yǔ)音控制指令等進(jìn)行為盲人專(zhuān)門(mén)的導(dǎo)航、路況實(shí)時(shí)播報(bào)，達(dá)到為盲人的出行提供更加安全的出行方式和日常居家的物體識(shí)別。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】