李鳳桐 顧雅青 李聰

(山東華宇工學院 山東德州 253034)

目前，我國有1 700 萬盲人，占全球盲人數(shù)量的18%。與發(fā)達國家相比，我國盲人專用產品和服務開發(fā)遠遠不夠[1]。視力缺陷是盲人出行的最大難題，目前，我國引導盲人出行的主要方式有建設盲道、導盲犬、導盲杖引導。這3種引導方式中，盲道破損情況時常出現(xiàn)，非機動車占用盲道的現(xiàn)象也比比皆是，給盲人出行帶來很大不便，甚至可能會帶來人身傷害。而導盲犬因其需要培訓的周期很長，需要投入很高的人力、物力，經常要花費兩三年才能培養(yǎng)出一只優(yōu)秀的導盲犬，所以應用并不普遍[2]。相比之下導盲杖的應用更加普遍，然而傳統(tǒng)的導盲杖僅是一根拐棍，只能探索到周圍1 m處是否有障礙物，無法探測更遠的地方，更無法對緊急情況做出提示，遠不能滿足盲人的出行需求，盲人迫切需要一種功能齊全的智能導盲杖。而現(xiàn)有的智能導盲杖中，多是利用超聲波原理來識別障礙物，雖能幫助盲人避讓前方障礙物，但功能比較單一，而且反應速度慢，影響出行體驗[3]。因此，設計一款能夠及時發(fā)現(xiàn)前方、上方障礙物，有語音播報功能，且方便盲人夜間出行的智能手杖，對提高盲人的出行體驗感、引導盲人安全出行具有重要的意義。

1 設計背景

當前，我國在智能拐杖方面也有不少的創(chuàng)新，但由于技術不成熟、成本難以控制等，導致國內市場上可供選擇的盲人拐杖非常少。我國導盲杖一般在醫(yī)療器材店銷售，藥店里很少會有導盲杖，一般的大型商場更是難以找到。同時，導盲杖相關產品選擇少，市面上的導盲杖產品基本上大同小異，只是在材質與便攜性上有所不同[4]。通過實地調研發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)導盲杖的盲人占盲人群體的大部分，有1/3的盲人甚至不使用導盲杖，因為他們幾乎不出門，或只在有家人陪同的情況下出門。很大原因在于大部分盲人直接使用的是政府、殘聯(lián)或街道資助的傳統(tǒng)導盲杖，自己挑選購買導盲杖的盲人只占小部分。因此，我國國內市場上的盲用拐杖依舊以傳統(tǒng)的導盲杖為主，給盲人出行帶來很大不便。隨著我國科學技術水平的提高，新一代信息技術的發(fā)展為智能拐杖提供了技術保障，國家目前正大力推動“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算等新一代信息技術，而新一代信息技術正是智能導盲杖的技術保障[5]。無論是智能控制、安全防范、共享實時定位，都需要對應的傳輸方式以完成對信號的傳輸過程。信號傳輸方式的改進、傳輸速度的加快、安全水平的提升都會給智能導盲杖帶來積極改變。

2 智能導盲杖的功能介紹

本研究中的導盲杖選用STM32F 系列單片機為微控制器，總體控制盲杖中的傳感器。利用超聲傳感器來測量盲人與障礙物的距離，通過語音形式將障礙物的信息播報給盲人。利用光照度傳感器來測量盲人行走環(huán)境中的光照強度，如果在天色較暗或者夜晚的情況下，光照較弱時，導盲杖上的LED 燈就會自動打開，讓來往的行人與車輛都能在燈光的引導下看到盲人，及時避讓盲人，保證盲人的出行安全[6]。本導盲杖還安裝了積水探測傳感器，利用該傳感器可以檢測到路面是不是有積水，用蜂鳴報警的形式傳遞給盲人，讓盲人避開積水區(qū)，防止滑倒。

3 智能導盲杖的硬件組成

3.1 杖體總體設計

本著輕便實用的原則，智能導盲杖體采用的是鋁合金材質，攜帶輕便，而且價格不高。杖體是可自由伸縮的設計，高度調節(jié)范圍為1.0～1.8 m，不同身高的盲人可根據(jù)自身實際身高自由調節(jié)高度。處理器、電源模塊以及各種傳感器都安裝在手柄內，手柄下部25 cm范圍內不能伸縮，用來安裝LED 發(fā)光燈帶。該設計將燈帶的顏色設計為紅色，在光照弱或黑暗的情況下，紅色燈很顯眼，容易引起行人及車輛的注意[7]。杖體內部是中空設計，一是為減輕杖體的重量，二是為了將連接傳感器及電源的線內置在其中，讓導盲杖外觀更加簡潔。連接線的長度設計為比杖體最大高度略長，防止拉伸杖體時拉斷連接線。

3.2 微處理控制器

處理器是智能導盲杖中的核心控制部分，功能要齊全，而且價格要便宜。該設計中選用的是STM32F1032單片機作為微處理器，該處理器不僅功能全，而且功耗比較低，價格也很便宜，能降低設計成本，適宜推廣應用[8]。

3.3 電源模塊

為節(jié)約成本，電源模塊采用的是可充電的9 V 電池。由于導盲杖中各種傳感器的工作電壓是5.0 V，因此，在具體設計中設置了一個電壓轉換模塊，能轉換成傳感器工作需要的電壓。在實際應用中，只有超聲波探測傳感器需要一直工作，其余的傳感器不用一直工作。為節(jié)省電源，所有傳感器都設置按鍵開關，不用時將電源關閉，需要時再將開關打開[9]。例如：在路上行走需要探測路面積水情況時，將對應的控制開關打開，積水探測傳感器就會通電工作，探測路面積水情況，讓盲人避開積水路面。

3.4 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊用來測量盲人與障礙物之間的距離，該設計采用的是HY-SRF05，該模塊的測距精度高，具有非接觸式感測的功能，實物見圖1，各引腳的作用見表1。在實際中，除腳部障礙物外，面部障礙物也是影響盲人出行的主要障礙。因此，該設計中采用兩個測距模塊，分別安裝在導盲杖的上、下端，可以檢測盲人腳部與面部附近的障礙物，讓盲人避讓障礙物。

圖1 超聲波模塊實物圖

表1 超聲波模塊各引腳作用

3.5 語音傳感器模塊

該設計采用的是語言合成芯片模塊，該模塊接受到文本信息后，將文本合成為語言，然后輸出。該模塊有多種編碼形式，不僅支持中文語言，還支持英文字母合成，能夠識別電話、時間、長度符號等一些常見的文本信息，并對其處理后進行語音播報。

3.6 光照度傳感模塊

采用BH1750 光照傳感器，分辨率高，能探測光照強度大范圍的變化，光譜靈敏度高，內置的用來探測光照強度的光敏二極管幾乎接近人眼反應。此模塊的工作原理是：光敏二極管PD 探測到光照后，集成運算放大器會將PD 電流轉化為PD 電壓，模數(shù)轉換器會獲取由16位數(shù)字組成的數(shù)據(jù)，通過相應的指令操作可以讀出光照數(shù)據(jù)，如果光照強度小于30 lx 時，LED 燈就會開啟[10]。

3.7 積水探測傳感模塊

目前，市面上的積水探測傳感器多是自帶蜂鳴報警的，不需要微處理器來控制，因此，可以直接單獨接入電源。該模塊的功能是探測路面積水，因此，安裝在導盲杖的底端，距離地面1.0～1.5 cm處[11]。該模塊利用液體導電原理來探測路面積水情況，模塊中有兩個電極探頭探測路面積水，當路面有積水時，由于水可以導電，就會導致兩個探頭間形成通路，其內置的控制器就會將其轉換成開關量輸出信號，報警器就會被啟動。

3.8 導航定位傳感器模塊

采用追蹤靈敏度高的GPS 模塊，模塊獲取到導盲杖的位置信息、高度和行進速度后，就會將獲取的信息傳輸給微處理器，微處理器進行數(shù)據(jù)處理后，按照目標位置選擇最佳的路線，引導盲人更安全地到達目的地。在實際應用中，通過導盲杖位置信息共享，親屬可以通過手機或電腦實時獲取導盲杖的位置信息，更好地了解持杖人的位置信息。如果持杖人位置偏離目的地，或位置信息長時間不更新，親屬可以及時去現(xiàn)場，防止出現(xiàn)持杖人走丟的情況[12]。

3.9 導盲杖底部卡輪

傳統(tǒng)導盲杖需要使用者依靠敲打地面來了解障礙物情況，不僅對障礙物的情況判斷不準確，而且長時間的敲打地面還會讓使用者出現(xiàn)手臂酸痛的情況，使用體驗感不好。為讓盲人能實現(xiàn)長距離行走，而且使用過程更加省力，該設計的導盲杖底部采用凹槽卡輪設計，兩輪之間的距離大于盲道單個凸起的寬度，實物如圖2 所示。使用者不用刻意地去調整方向，只需讓推導盲杖垂直地面，用手輕推前行即可，確保使用者能在盲道上基本沿直線行走，有效防止出現(xiàn)偏離盲道的情況。

圖2 導盲杖底部卡輪實物圖

4 軟件設計

軟件設計采用Keil5軟件開發(fā)工具，程序編寫使用C 語言，整個軟件設計包括主程序、各傳感器子程序，都是在集成開發(fā)環(huán)境中組合，不僅生成代碼快，而且便于理解。系統(tǒng)設計的障礙物測量距離為1.5 m（如果距離過小，使用者不容易避開障礙物），即無論是底部障礙物還是面部障礙物，只要與盲人的距離小于或等于1.5 m 時，語音報告系統(tǒng)就會開啟語音播報提醒，讓盲人避開障礙物。白天出行時，可以關閉光照度傳感器開關，當夜晚或光線較暗的陰天出行時，可以開啟對應的開關，用光照度傳感器來實測盲人行走環(huán)境中的光照強度，當外界的光照強度不足30 lx 時，LED 燈就會打開。雨后出行時，打開積水探測傳感器的開關，當路面積水深度超過1 cm 時，傳感器就會蜂鳴報警，提醒盲人注意[13]。

5 實驗結果及結論

為了驗證該智能導盲杖的功能可靠性，設計人員白天在山東華宇工學院圖書館正門與校門口處進行了多次實驗，結果表明：該新型智能導盲杖的靈敏度高，功能可靠。測試者被不透光的黑布蒙住雙眼，手持智能導盲杖在測試區(qū)域行走，在圖書館門口與教學樓之間50 m 的路段上設置的6 個障礙物（如木板、石塊、大樹枝等），可以全部探測到，成功率達100%；在路面上灑水12 次，檢測到11 次（1 次灑水太少），成功率91.67%，實驗結果如表2 所示。在學校門口前40m 到出口處車輛升降桿區(qū)域進行多次實驗，主要測試導盲杖對前方障礙物和上方障礙物的檢測情況，檢測成功率100%，實驗結果如表3所示。天黑以后在學校隨機選擇多個區(qū)域進行光照測試，將區(qū)域內光源關閉后，進行多次實驗，LED 燈帶均可亮起，而且燈光比較醒目，很容易引起路人的注意。

表2 圖書館區(qū)域實驗結果

表3 門口升降桿區(qū)域實驗結果

根據(jù)多次實驗結果，該新型智能導盲杖在路況簡單的區(qū)域內反應靈敏，在距離障礙物1.5 m時就有語音播報提醒，讓使用者可以及時避開障礙物，LED燈也能根據(jù)外界環(huán)境的光照情況及時開啟。在實際測試中，當路面積水不到1 cm 時，蜂鳴報警器不響；在路況復雜的路段，有時會出現(xiàn)多次報警的情況；如果障礙物體積過小的話，有可能會檢測不到，這些問題需要后續(xù)改進優(yōu)化?？傮w來看，該新型智能導盲杖能引導盲人避開前方與上方較大的障礙物，能夠在光照不足的情況下亮燈，提醒路人避讓盲人，能檢測到路面的積水，讓盲人避開濕滑路段，比起傳統(tǒng)的導盲杖來，功能更加完善，靈敏度更高，為盲人出行提供了便利。