文/路佳杰（大連理工大學(xué)）

由于眼睛無法感知，盲人使用家電時(shí)通常根據(jù)記憶習(xí)慣確定插座位置，先要用手摸到面板插座的插孔，再將插頭插入。在公共陌生的場合，由于空間很大，又不熟悉環(huán)境，尋找并插入插座更加困難，也存在較大的觸電安全隱患。本文基于藍(lán)牙通信、語音導(dǎo)航、超聲波測距、單片機(jī)控制等原理，設(shè)計(jì)了一種盲人智能插座轉(zhuǎn)接器，包括盲人遙控器、智能插座和盲人專用插頭3 個(gè)部分，通過將藍(lán)牙模塊、測距模塊和語音模塊等與單片機(jī)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了盲人使用電器時(shí)智能輔助尋找和安全順利插入插座的功能。

一、盲人智能插座的研究現(xiàn)狀

目前市場上的盲人插頭插座還處于研究之中，并沒有具體的產(chǎn)品公開，其實(shí)現(xiàn)方法主要是對普通插頭插座進(jìn)行改進(jìn)。研究者們或是設(shè)計(jì)自凹陷式結(jié)構(gòu)[1]，或是在插座表面增加滑軌[2]，或是加入蜂鳴器和復(fù)位開關(guān)[3]，這些方式都可以方便盲人順利插入插座插孔，但不便于盲人找到插座，且插入過程中存在觸電風(fēng)險(xiǎn)。另有研究者在插座中加入了定向保護(hù)結(jié)構(gòu)[4]或磁性引導(dǎo)裝置[5]，方便了插入，也減小了觸電風(fēng)險(xiǎn)，但使用時(shí)不便于盲人找到插座，實(shí)際操作時(shí)盲人難以精確對準(zhǔn)，且該設(shè)計(jì)成本相對較高，實(shí)現(xiàn)難度較大。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國共有盲人600 多萬，盲人對各種電器的使用需求很大，研究一款能有效解決盲人使用時(shí)難以順利插入、精確對準(zhǔn)和存在觸電危險(xiǎn)的問題的盲人專用智能插座轉(zhuǎn)接器，十分必要。

二、研究方案

1.設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)的智能插座轉(zhuǎn)接器系統(tǒng)主要包括盲人遙控器、智能插座和盲人專用插頭3 個(gè)部分。盲人遙控器上設(shè)置有盲文按鈕，且內(nèi)部集成有主控模塊（單片機(jī)）和主藍(lán)牙模塊；智能插座內(nèi)設(shè)置有從藍(lán)牙模塊、測距模塊、控制模塊（單片機(jī)）、語音模塊（語音發(fā)聲模塊）和電源轉(zhuǎn)換模塊（繼電器模塊）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

盲人專用插頭設(shè)計(jì)為一個(gè)插頭轉(zhuǎn)接器，其一端留有普通孔洞，可由普通家用電器插入連接起來，另一端設(shè)計(jì)為錐形頭結(jié)構(gòu)，同時(shí)在錐形頭的頂端兩側(cè)設(shè)有隱藏式導(dǎo)線柱，錐形頭部分與插座轉(zhuǎn)接器的錐形凹槽結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，如此便可引導(dǎo)盲人使用時(shí)順利將插頭轉(zhuǎn)接器插入插座轉(zhuǎn)接器中。結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 盲人專用插頭結(jié)構(gòu)示意圖

智能插座內(nèi)設(shè)置有藍(lán)牙收發(fā)模塊、測距模塊、控制模塊（單片機(jī)）、語音模塊和電源轉(zhuǎn)換模塊（繼電器）。智能插座的一端設(shè)計(jì)成普通插頭，可插入到室內(nèi)的電源插座上，另一端設(shè)計(jì)成漩渦式錐形凹槽結(jié)構(gòu)，在錐形凹槽的底部兩側(cè)設(shè)有插孔，且結(jié)構(gòu)上設(shè)有導(dǎo)向和保護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)將電極藏在溝槽內(nèi)防止誤觸電。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能插座結(jié)構(gòu)示意圖

此外，為方便操作，還設(shè)計(jì)了一個(gè)語音藍(lán)牙開關(guān)手機(jī)App，該App 可與智能插座藍(lán)牙模塊連接，然后通過語音智能控制插座的開機(jī)與待機(jī)。

三、技術(shù)原理

1.測距原理

超聲波測距是盲人尋找插座時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器、控制器和蜂鳴器等部分組成，主要是通過超聲波探頭發(fā)射和檢測超聲波信號來完成的。

超聲波是指超出人的聽覺范圍（20 kHz 以上）的聲波，具有頻率較高、直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強(qiáng)、傳播速度慢（約340 m/s）等特點(diǎn)。超聲波在不透明的固體內(nèi)傳播時(shí)，遇到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生反射波，利用這一特性可探深或測距。超聲傳感器產(chǎn)生的超聲波對外發(fā)射，如在一定范圍內(nèi)碰到物體，就有一反射波返回發(fā)射源（超聲傳感器的表面），主機(jī)利用發(fā)射波和反射波之間的延遲時(shí)間和聲波速度就能測得距離[6]。

在超聲波測距系統(tǒng)中，控制器發(fā)射一串脈沖信號，經(jīng)放大電路放大后，通過探頭發(fā)射出去，當(dāng)在有效范圍探測到障礙物時(shí)，主機(jī)會檢測到超聲波的撞擊返回信號，再將經(jīng)過計(jì)算完成后的結(jié)果輸出到語音。

2.藍(lán)牙傳輸原理

藍(lán)牙技術(shù)規(guī)定，每一對設(shè)備之間進(jìn)行藍(lán)牙通信時(shí)，必須一個(gè)為主角色，另一個(gè)為從角色，才能進(jìn)行通信。通信時(shí)，必須由主端進(jìn)行查找、發(fā)起配對，建鏈成功后雙方即可收發(fā)數(shù)據(jù)。理論上，一個(gè)藍(lán)牙主端設(shè)備可同時(shí)與7 個(gè)藍(lán)牙從端設(shè)備進(jìn)行通信。

呼叫時(shí)，藍(lán)牙主端設(shè)備發(fā)起呼叫，首先是查找出周圍處于可被查找的藍(lán)牙設(shè)備。主端設(shè)備找到從端藍(lán)牙設(shè)備后，與從端藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對，此時(shí)需要輸入從端設(shè)備的PIN 碼，也有設(shè)備不需要輸入PIN 碼。配對完成后，從端藍(lán)牙設(shè)備會記錄主端設(shè)備的信任信息，此時(shí)主端即可向從端設(shè)備發(fā)起呼叫，已配對的設(shè)備在下次呼叫時(shí)，不再需要重新配對。已配對的設(shè)備，作為從端的藍(lán)牙耳機(jī)也可以發(fā)起建鏈請求，但作為數(shù)據(jù)通信的藍(lán)牙模塊一般不發(fā)起呼叫。鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)或語音通信。在通信狀態(tài)下，主端和從端設(shè)備都可以發(fā)起斷鏈，斷開藍(lán)牙鏈路[7]。

在藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，一對一串口數(shù)據(jù)通信是最常見的應(yīng)用之一，藍(lán)牙設(shè)備在出廠前即提前設(shè)好兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的配對信息，主端預(yù)存有從端設(shè)備的PIN 碼、地址等，兩端設(shè)備加電即自動建鏈，透明串口傳輸，無須外圍電路干預(yù)。

四、研究結(jié)果

1.系統(tǒng)使用方法

系統(tǒng)制作的實(shí)物由插頭、插座和盲人遙控器組成，使用時(shí)，家中的插座和電器無須任何改造，只要將盲人智能插座轉(zhuǎn)接器插在普通插座上即可。

準(zhǔn)備階段：其他人幫助盲人將多個(gè)地址編號的智能插座分別插在墻上的插座上，已經(jīng)與使用電器連接好的盲人專用插頭和遙控器由盲人手持。

語音導(dǎo)航：盲人通過遙控器盲文按鈕（或語音藍(lán)牙開關(guān)手機(jī)App）發(fā)出呼叫指令，智能插座轉(zhuǎn)接器在接收到指令后用語音播報(bào)編號，便于盲人根據(jù)聲音判定插座轉(zhuǎn)接器的位置。

測距導(dǎo)航：盲人根據(jù)聲音判斷插座轉(zhuǎn)接器位置并靠近。距離較近時(shí)，插座轉(zhuǎn)接器通過測距模塊報(bào)出距離信號進(jìn)一步導(dǎo)航引導(dǎo)，直到盲人用手觸摸到插座轉(zhuǎn)接器。

引導(dǎo)插入：盲人在漩渦式錐形結(jié)構(gòu)的引導(dǎo)下安全順利插入插座。

使用完成：當(dāng)使用完成需要取走插頭時(shí)，盲人通過手中的遙控器（或語音藍(lán)牙開關(guān)手機(jī)App）發(fā)出無線尋找指令，附近的智能插座轉(zhuǎn)接器報(bào)出自己的編號，盲人根據(jù)聲音快速取回插頭。

2.測試驗(yàn)證

系統(tǒng)可行性測試：將盲人專用插頭與智能插座實(shí)際連接，并將智能插座插入墻面插座，發(fā)現(xiàn)插座通電有用，且內(nèi)部元器件指示燈發(fā)亮，同時(shí)測距模塊啟動，語音模塊發(fā)聲提醒，測試證明系統(tǒng)切實(shí)可行。

盲人測試驗(yàn)證：將智能插座插入普通墻面插座上，盲人專用插頭連接到盲人手機(jī)上，并由盲人左手手持，同時(shí)遙控器由盲人右手手持。當(dāng)盲人通過遙控器上盲文按鈕按下相應(yīng)智能插座尋找指令時(shí)，該智能插座語音模塊發(fā)聲，盲人在語音指引下不斷靠近，當(dāng)距離較近時(shí)，智能插座發(fā)出了距離提示語音，最終盲人通過語音提醒和智能插座上的漩渦式錐形凹槽引導(dǎo)安全順利地插入了插頭。檢查發(fā)現(xiàn)，手機(jī)正常充電，測驗(yàn)證明了系統(tǒng)切實(shí)可行，功能良好。

五、結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的盲人智能插座轉(zhuǎn)接器是一個(gè)既有人文關(guān)懷又體現(xiàn)一定科技含量的產(chǎn)品。以單片機(jī)為核心，利用藍(lán)牙配對功能，將藍(lán)牙通信、測距模塊與語音模塊結(jié)合，設(shè)計(jì)具有藍(lán)牙通信、測距導(dǎo)航和語音提示功能的組合式導(dǎo)航型插座轉(zhuǎn)接器，合理地解決了盲人無法確定插座方位的問題。同時(shí)，利用漩渦式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了盲人專用插頭，消除了盲人使用時(shí)觸電的危險(xiǎn)，引導(dǎo)盲人順利插入插座，方便實(shí)際使用，過程連續(xù)線性，有效可行。