范宇 陳嘉琪 黃美玲 陳加玲

北部灣大學(xué)理學(xué)院 廣西欽州 535011

1 研究意義與背景

1.1 研究意義

基于當(dāng)今社會上的盲人與老人的出行問題，本文進(jìn)行了一系列的研究。盲人出行大多是手持導(dǎo)盲杖或者導(dǎo)盲犬，但普通導(dǎo)盲杖無法保障盲人的生命安全，導(dǎo)盲犬的壽命也有限。人老后各個機體功能都開始下降，所以部分老人出行也要手持拐杖出行，但對于患病的老人來說，普通拐杖也難保使用者的生命安全。本文針對這類問題對手持拐杖做出了改進(jìn)，用智能手環(huán)與融合多個系統(tǒng)的智能手杖結(jié)合，對使用者的健康進(jìn)行實時檢測，不僅可以在摔倒后及時呼救和發(fā)送定位給監(jiān)護(hù)人，而且對有異常的數(shù)據(jù)也會告知其監(jiān)護(hù)人,對盲人和老人群體的安全有著重要的保障。

1.2 背景

國內(nèi)對于本類產(chǎn)品的研究較為眾多，首先是以智能導(dǎo)盲機器人為代表的達(dá)到了可以通過提前給機器人輸入特定的路線指令達(dá)到幫助盲人的效果，而該類智能出行不方便攜帶，不能預(yù)防突發(fā)事件，只能適用于盲人；其次是頭戴式導(dǎo)盲儀，該類較為先進(jìn)，可以通過超聲波等技術(shù)探測前方障礙物，幫助盲人躲避危險，但是該類產(chǎn)品沒有考慮到目標(biāo)對象的心理，基于人的設(shè)防心理，不能滿足人的安全感；最后是最為先進(jìn)的智能導(dǎo)盲杖了，可以通過超聲波、GPS定位等技術(shù)達(dá)到幫助盲人躲避危險，規(guī)劃路線，以及及時求救等目的，也滿足了人的基本安全感，是目前市場上較為先進(jìn)的、全面的產(chǎn)品類型了。當(dāng)然國外對于此類的研究也僅限于以上幾類，暫無更先進(jìn)的產(chǎn)品。

2 健康與倒地檢測系統(tǒng)

2.1 健康檢測系統(tǒng)

本物品通過手機上的軟件和質(zhì)地較軟的手環(huán)共同作用并聯(lián)合Android系統(tǒng)的健康檢測系統(tǒng)，通過更簡易的方式對使用對象進(jìn)行實時監(jiān)護(hù)過程，不僅能夠系統(tǒng)全面地維護(hù)并保留監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且能夠提高對不同老人以及盲人的適用度。例如，使用對象的心率值在設(shè)備設(shè)定的相應(yīng)值的檢驗環(huán)境較長時間內(nèi)一直處于偏低的情況，即設(shè)備設(shè)定的心率值就會低于學(xué)界所共同認(rèn)定的值[1]。相反如果較長時間內(nèi)使用對象的血壓偏高，那么就應(yīng)該相應(yīng)地減少對使用對象進(jìn)行血壓測驗的實驗間隔，并且同時提高低壓的最小設(shè)定值。在使用對象佩戴所增加的有關(guān)生命安全設(shè)備時，如果出現(xiàn)了心律不齊的突發(fā)疾病，又或者是出現(xiàn)了其他的身體異樣，該部分會立即將實時數(shù)據(jù)傳輸給相應(yīng)部分并立即進(jìn)行分析，最后該部分將會結(jié)合本身所具有的定位功能向外界求救[2]。該系統(tǒng)的工作原理為如圖1所示：

圖1 健康檢測系統(tǒng)工作原理

2.2 倒地檢測系統(tǒng)

由于使用者身體出現(xiàn)狀況會有不同的原因，只是通過簡單的健康檢測無法判斷出某些意外情況，基于本產(chǎn)品的智能手杖為參照物，通過智能手杖內(nèi)部的倒地檢測系統(tǒng)可以及時有效地救治使用者。智能手杖摔倒時會與地面形成一定的角度，從而可以從角度的閾值去判斷使用者是否倒地。以智能手杖豎直放置與地面形成X、Y、Z軸，其中手杖為Z軸，獲取其Z軸的前后左右的角速度變化情況，由于角速度的大小以及角度的大小的變化幅度不同，會產(chǎn)生異常變化的數(shù)據(jù)。我們可以對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計算判定使用者是否倒地，倒地系統(tǒng)同時還需要與手環(huán)結(jié)合，需要手杖倒地且數(shù)據(jù)健康異常，防止只是使用者將智能手杖平放而觸發(fā)警報。當(dāng)然，為了防止手杖的倒地檢測系統(tǒng)會由于使用者在使用過程中不需要時平放速度過快而觸發(fā)警報，我們還設(shè)置了自動取消警報的按鈕，防止系統(tǒng)向使用者的監(jiān)護(hù)人發(fā)送“虛假”的警報，從而引起不必要的麻煩。接下來就是通過使用基于SVM(合成加速度數(shù)值)和閾值分析法的摔倒檢測系統(tǒng)進(jìn)行判斷使用對象的具體狀態(tài)來判斷是否需要采取救治以及告知家屬，而SVM是根號下X、Y、Z軸的加速度的平方和的平方計算出來的[3]。該系統(tǒng)具體計算的是使用者的身體內(nèi)部的狀況，我們將使用該系統(tǒng)結(jié)合手杖內(nèi)部的系統(tǒng)對于使用者的身體狀況進(jìn)行雙監(jiān)控，全面確保使用者的安全。同時手杖設(shè)計成伸縮功能，較為便捷。該系統(tǒng)的工作原理為如圖2所示：

圖2 倒地檢測系統(tǒng)工作原理

3 語音播報系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 基于語音交互的通用硬件系統(tǒng)架構(gòu)

本產(chǎn)品使用系統(tǒng)STM32為中央主控平臺，通過收集LDV5語音指令，進(jìn)行智能語音通信[4]。收集超聲波傳感器和陀螺儀的信號，進(jìn)行智能避障和路面條件數(shù)據(jù)傳輸；利用串行端口一向二號機傳輸已采集的語音指令，發(fā)送回家或者緊急救助的消息，此時家屬也可以通過接收到的信息即得知使用者的位置；同時獲取由二號機傳送的天氣和時間消息，并進(jìn)行有關(guān)天氣和時間的語音播報。該系統(tǒng)框架如圖3所示：

圖3 語音播報系統(tǒng)框架

3.2 LDV5模塊的工作原理

LDV5模塊中的內(nèi)置TF卡，可以保存指令設(shè)置和語音文檔。另外配備了外置喇叭和話筒，完成播放功能；通過外設(shè)的串口和STM32主控面板通信，完成了傳輸命令的全部功能；它還擁有8個IO口，可以按照實際的不同要求，來擴充外部電路；有語言接收(采集)、識別、分析、應(yīng)答等功能[5]。

3.3 語音交互系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.3.1 超聲波模塊

本產(chǎn)品超聲波模塊的設(shè)計通過安裝三個超聲波測距測速儀，其中前置兩個測距儀，通過二者之間的測量距差，以確定前面是否有障礙物，反饋給語音識別模塊，及時避障，使外出更加安全。

當(dāng)測距模塊測的距離在設(shè)定前方有障礙物情形下，語音播報前方的情況。當(dāng)超聲波模塊在測定的距離超過使用者的身高下，語音播報上方的狀況。如果手杖上的超聲波模塊測得的距離在一定的差值里，則會提醒使用者注意腳下(或樓梯)[6]。同時當(dāng)使用者的正前方或者頭頂上有障礙物時，該模塊都可以將其檢測出來，幫助使用者避開障礙物或者危險事物。

3.3.2 MPU6050陀螺儀模塊的程序設(shè)計

使用MPU6050模塊，根據(jù)俯仰角和橫滾角，對導(dǎo)盲杖的平衡狀態(tài)進(jìn)行判斷，與語音模塊組合，在用戶摔倒的情況下大聲播報求救信號。

4 超聲波以及自主蓄電模塊

超聲波是波長很短的機械波，頻率高于人類聽覺極限的高音調(diào)聲波。它的工作原理是其發(fā)射出超聲波信號后，該信號在空氣中遇到障礙物就會彈回來并被接收[7]。經(jīng)過多方面綜合考慮，本產(chǎn)品選擇使用HC-SR04超聲波傳感器，可以將其與語音播報系統(tǒng)連接，在將超聲波裝置在本產(chǎn)品上進(jìn)行合理布局組裝，可實現(xiàn)全方位實時測距防止事故。此模塊功能具有較穩(wěn)定的性能，測量范圍的盲區(qū)較小，測量的距離范圍為2～400cm，并且測量所得數(shù)據(jù)較為精確，測量的精度高達(dá)3mm。

該產(chǎn)品含有多個功能區(qū)，超聲波測量障礙物的時候具有發(fā)散性，因此有必要使用多個超聲波傳感器和其他傳感器一起工作。其中在智能手杖的上方部位安置超聲波測量儀，通過盲人身高自動設(shè)定安全限高值，進(jìn)行測量盲人上方的位置，通過高度測量得知盲人上方是否存在障礙物，若盲人前方存在懸空障礙物，如門框、樹枝等障礙物，如果超過安全限高值則通過智能語音播報系統(tǒng)提醒盲人注意安全，使盲人進(jìn)行避讓[8]。在手杖的正面、左右兩側(cè)面的位置分別安裝弧形掃掠型超聲波測距測速儀，測量盲人與身邊周圍物體的距離。如果存在障礙物，通過接收超聲波信號后，反饋到語音系統(tǒng)，通過語音播報盲人了解自己周圍的環(huán)境，得知存在障礙物的時候進(jìn)行避讓，降低了事故的發(fā)生率，讓盲人的安全得到了一定的保障。

圖4 超聲波傳感器

圖4是HC-SR04超聲波傳感器外形示意圖，該傳感器體積小，易于在任何機器中使用。其工作電壓為DC—5V，工作電流為15mA，工作頻率為40Hz，并有四個引腳。VHC-SR04的直接驅(qū)動電源為VCC引腳和GND引腳，并分別用5V電壓和負(fù)極連接?？刂朴|發(fā)信號輸入的是TRIG引腳，在啟動該引腳結(jié)構(gòu)時的高電平至少是10us，超聲波信號通過TRIG引腳進(jìn)行發(fā)射。ECHO引腳用來接收返回的信號并輸出，進(jìn)行測量距離的為ECHO引腳[9]。TRIG引腳觸發(fā)測距，當(dāng)檢測到發(fā)射8個40kHz的方波返回時，ECHO引腳輸出高電平，可根據(jù)高電平持續(xù)時間和測試距離公式可得出距離[9]?？諝庵新曇舻膫鞑ニ俣葹?40米/秒，即可計算出所測的距離。計算距離的公式為測量距離=[高電平時間×速度/2][除以2表示，從發(fā)出到接收，測量單位：測量距離(米)、速度(米/秒)、高電平時間(秒)]。同時考慮能夠長時間續(xù)航，則引入太陽能電池板與壓電陶瓷擠壓供電等模塊實現(xiàn)不斷供能[10]，其中壓電陶瓷自主蓄電裝置由三部分組成，通過將柱頭與地面產(chǎn)生的壓力形變轉(zhuǎn)化為電能[11]。

5 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)

本產(chǎn)品的一大特色就是使用了以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為中心的智能化定位導(dǎo)向信息處理。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國家為廣大用戶提供全天候、全天時、高精度的定位，導(dǎo)航和授時服務(wù)的重要時空基礎(chǔ)措施，該措施由空間端、地面端、用戶端組成。其中，空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶端包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。它的特點一是采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，比其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所擁有的高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯；二是它提供多個頻點的導(dǎo)航信號，可以使用多頻信號組合方式提高服務(wù)精度；三是它融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時，星基增強，地基增強，精密單點定位，短報文通信和國際搜救等多種服務(wù)能力，并且其定位精度優(yōu)于20m，授時精度優(yōu)于100NS，測速精度0.2米/秒[12]。

我們基于這款衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開發(fā)出以它為中心的智能化信息處理模塊，具體有以下幾個功用：

(1)該模塊利用安卓編寫一個APP，通過北斗定位系統(tǒng)來鏈接導(dǎo)盲杖的藍(lán)牙設(shè)置，將具體路線或位置進(jìn)行傳達(dá)與指引。與此同時，監(jiān)護(hù)人也可在APP中設(shè)置目的地以及路線，方便盲人或老人使用。另外，還可對常去地進(jìn)行默認(rèn)標(biāo)識，輕松又簡便。

(2)該信息處理模塊可根據(jù)天氣、地形、路況等外界因素和當(dāng)天盲人或老人的身體狀況等內(nèi)部因素進(jìn)行全局性路線規(guī)劃，同時還具備較大型障礙物規(guī)避與標(biāo)識能力，鏈接紅外探測等功能完成一體化功能最優(yōu)解。

(3)該模塊利用嵌入式技術(shù)將BDS導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)入開發(fā)板微處理器，實現(xiàn)定位與導(dǎo)航，同時鏈接用戶信息終端以及監(jiān)護(hù)人的手機接收模塊，實現(xiàn)24小時全天候、全方位、全地形監(jiān)控與側(cè)位，保證用戶需要，讓家人安心、放心。

(4)該模塊由北斗系統(tǒng)主動式雙向測距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，來供用戶三維定位數(shù)據(jù)。

(5)該模塊還可通過衛(wèi)星拍照來識別周邊大型障礙物和移動車輛，通過語音來提醒盲人。但較之紅外探測，具有一定延遲(根據(jù)信號強弱)。

本產(chǎn)品的核心運行芯片可無差別接收并處理BDS導(dǎo)航的GNSS信號，完成信息端的實際應(yīng)用，具備強大信息化功用能力，體現(xiàn)本產(chǎn)品的先進(jìn)性[12]。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計的全智能手杖較目前市場上已有的產(chǎn)品相比較具有以下優(yōu)勢：

(1)受益群體增加：受益對象由單一的盲人群體推廣到了盲人、老年人以及出行不方便的群體；

(2)形式簡單便捷：增加了伸縮功能，進(jìn)一步減輕了使用者的出行負(fù)擔(dān)，以及最大程度上滿足了使用者的安全感；

(3)手杖柄部身體狀況檢測系統(tǒng)：在手杖柄部增加手環(huán)一是為了增加使用者的使用便利，二是為實時檢測使用者的身體健康狀況；

(4)手杖內(nèi)外部具有可控摔倒辨別系統(tǒng)：當(dāng)手杖倒地時，系統(tǒng)通過辨認(rèn)倒地方式等因素綜合考慮使用者的情況，若不需要救治，則使用者可通過外部按鈕取消救治警報；

(5)GPS定位：該系統(tǒng)與摔倒辨別以及手環(huán)健康檢測相結(jié)合，及時定位使用者情況，將最新情況告知其監(jiān)護(hù)人，達(dá)到最快速的、最及時的救治[13]；

(6)超聲波定位與語音播報：該技術(shù)通過超聲波定位來辨別障礙物位置與危險發(fā)生的方位，通過語音播報的方式幫助使用者及時躲避障礙物；

(7)價位低：本文所設(shè)計的類型價格較低，非常適合普通大眾。

致謝：本文在選題、研究和寫作的過程中得到了北部灣大學(xué)理學(xué)院蘇華東教授以及熊益英老師的指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。