姚良懿 吳卓軒 鄭欣哲 宛瑞琪 肖株棟 韓鋒

(廣州應(yīng)用科技學(xué)院 廣東廣州 511370)

截至2022年，我國的視障人士超過1 730萬人，其中完全失明超過800 萬人，我國視障人士數(shù)量位居世界第一[1]，據(jù)相關(guān)研究預(yù)測(cè)，全球盲人總數(shù)將在2050年由3 600萬增加到1.15億人[2]。視障人士的基數(shù)巨大勢(shì)必帶來十分嚴(yán)峻的局面，視覺障礙不僅切實(shí)關(guān)乎到患者的生活質(zhì)量，還會(huì)加重家庭和社會(huì)的負(fù)擔(dān)。在無法根除視覺殘疾的情況下，如何保障視障人士安全出行，是一大難題。

通過華經(jīng)市場(chǎng)研究中心發(fā)布的《2021—2026 年中國智能拐杖市場(chǎng)全產(chǎn)業(yè)鏈研究及產(chǎn)業(yè)投資可行性評(píng)估報(bào)告》獲悉，目前較少企業(yè)能夠生產(chǎn)專業(yè)的智能盲杖，導(dǎo)致市場(chǎng)上智能盲杖的功能和質(zhì)量水平不一。就傳統(tǒng)的盲杖而言，視障者僅能使用傳統(tǒng)盲杖敲擊地面從而判斷前進(jìn)路線[3]，無法全方位識(shí)別到潛在的障礙物。致使視障者在單獨(dú)出行時(shí)經(jīng)常發(fā)生碰撞或者絆倒的情況，同時(shí)又因?yàn)闊o法及時(shí)報(bào)警就醫(yī)導(dǎo)致其未能得到及時(shí)的救治，甚至存在死亡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文針對(duì)視障者出行安全的問題，設(shè)計(jì)了一款具備視覺識(shí)別障礙物、語音播報(bào)提醒和報(bào)時(shí)、精準(zhǔn)定位以及一鍵報(bào)警功能的智能盲杖，為解決視障者出行難的問題提供一定的可行性幫助。

1 設(shè)計(jì)理念與需求

1.1 設(shè)計(jì)理念

由于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、功能單一的傳統(tǒng)盲杖早已被淘汰[4]，且傳統(tǒng)的普通盲杖已經(jīng)無法滿足當(dāng)下視障者的日常所需，同時(shí)，傳統(tǒng)盲杖未能在視障者遇到緊急情況時(shí)提供報(bào)警功能，又因?qū)と呐嘤?xùn)成本高昂、培訓(xùn)期長，存在價(jià)格過高和供不應(yīng)求的問題，因此，本文為解決視礙者的出行安全的問題，設(shè)計(jì)了一款智能視覺播報(bào)盲杖，希望能更好地保障視礙者的出行安全。

1.2 設(shè)計(jì)創(chuàng)新

本文所設(shè)計(jì)的智能盲杖除了具備如GPS 位置定位、物體識(shí)別等的基本功能以外，還增加了語音播報(bào)功能、紅外遙控自主尋找功能的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。語音播報(bào)功能不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)路況進(jìn)行實(shí)時(shí)的語音播報(bào)，還能準(zhǔn)確地向視障者提供實(shí)際時(shí)間的播報(bào)；紅外遙控則可以防止盲杖丟失，為視障者提供一鍵召回盲杖的功能。

1.3 基于視障者需求的作品設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能視覺播報(bào)盲杖成本較低，制作周期相對(duì)較短，使用時(shí)間較長，能更好地滿足當(dāng)下視障者的出行需求。當(dāng)視障者獨(dú)自出行時(shí)，智能盲杖能為其提供全方位的語言播報(bào)路況的功能，保障其能實(shí)現(xiàn)正常出行；就傳統(tǒng)盲杖而言，視障者在外無法及時(shí)向家人發(fā)送求救短信，而本文設(shè)計(jì)的智能盲杖既可以精準(zhǔn)地鎖定視障者的所在位置，也可以在緊急情況下及時(shí)地向家人發(fā)送求救短信，保障其在外的生命安全。該盲杖的設(shè)計(jì)初衷不僅是希望能更好地為視障者提供便利服務(wù)，也更希望能切實(shí)保障視障者的生命安全，在生命安全的基礎(chǔ)上保證出行安全才是智能盲杖設(shè)計(jì)的重中之重。

2 硬件部分

2.1 AT89C52RC主控芯片

本文設(shè)計(jì)作品的主控芯片選用了愛特梅爾公司經(jīng)過高密度的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)所生產(chǎn)的AT89C52RC，該價(jià)格低廉，實(shí)用性強(qiáng)，貼合實(shí)際利用，成功做到了低成本，高效率的使用價(jià)值。

2.2 語言播報(bào)模塊（SYN6288）

作為系統(tǒng)的輸出接口，考慮到用戶群體中年齡問題，必須選擇這一款兼容性強(qiáng)，且發(fā)音標(biāo)準(zhǔn)的語言播報(bào)模塊，因此選擇一款于2010年初由北京宇音天下科技有限公司推出的SYN6288 芯片，其待合成的文本數(shù)據(jù)使用異步串口通信方式接收，與上位機(jī)連接后，從而完成文本到語音（或TTS 語音）的轉(zhuǎn)換[5]；通過GB2312、GBK等多種編碼方式支持任意中文文本的合成?？梢院芎玫挠弥形膶⒏鞣N情況述說出來，語言表述較清晰，有較好的兼容性。

2.3 視覺模塊（K210）

本文設(shè)計(jì)作品的視覺模塊選用K210 視覺模塊的Maix Bit開發(fā)板，搭載canaan公司堪智科技的智能計(jì)算芯片K210，是一款A(yù)IOT 開發(fā)板，將模塊與底板結(jié)合，并且設(shè)計(jì)泰普C 接口、接口轉(zhuǎn)換端子電路以及存儲(chǔ)卡槽。前方物體通過連接攝像頭進(jìn)行識(shí)別，使用SD卡存放識(shí)別所需的模型。

2.4 GPS位置定位模塊（VK2828U7G5LF）和GSM通信模塊（SIM800C）

本文設(shè)計(jì)作品的位置定位模塊選用微科的VK2828U7 G5LF，其具有高靈敏度的GPS天線，性能優(yōu)異，支持熱啟動(dòng)，采用國際支持NMEA0183協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可輸出相關(guān)經(jīng)緯度位置信息以及時(shí)間信息；無線通信模塊選用SIM 公司的SIM800C。通過串口采用TTL 電平控制，是一款四頻的模塊，支持全球使用，能夠提供語音、短信、彩信、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。通用分組無線業(yè)務(wù)是一種分組交換數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，由全球移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展而來，擁有更高的無線網(wǎng)絡(luò)信道資源利用率以及更高支持的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，并且在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)可滿足用戶進(jìn)行語音通話。

2.5 紅外遙控和報(bào)時(shí)模塊

本文設(shè)計(jì)作品的無紅外控制模塊由紅外發(fā)射器和紅外接收器組成，通過紅外通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，且傳輸進(jìn)程不受無線電的干擾；時(shí)鐘芯片是由美國的達(dá)拉斯公司推出的DS1302時(shí)鐘芯片，能對(duì)常用的計(jì)時(shí)單位進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具備閏年補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。

2.6 基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊

本文設(shè)計(jì)作品的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊由超聲波模塊、L298N 模塊、麥克納姆輪以及陀螺儀模塊（MPU6050）模塊組成。

超聲波測(cè)距模塊選用由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及控制電路組成HC-SR04 模塊，探測(cè)盲區(qū)為2 cm，最大探測(cè)距離為400 cm。超聲波由發(fā)射器發(fā)射遇障礙物折射后被接收器接收，根據(jù)超聲波從射出和折射回來的時(shí)間差與超聲波的傳播速度，方可計(jì)算得出障礙物和超聲波模塊間距離[6]。選用L298N 作為本次設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，芯片控制端的電平變化由單片機(jī)的I/O 輸入控制。擁有電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)功能[7]，具備很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力。

選用麥克納姆輪作為底板移動(dòng)輪，基于多輪軸位于機(jī)輪周圍的中心輪，由該周邊輪將部分機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化一個(gè)機(jī)輪法向力上面,實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)的功能。相較普通的輪子，具有更好的機(jī)動(dòng)性和靈活性。MPU6050 六軸陀螺儀用于測(cè)量視障者的行走角度，可在同一時(shí)間內(nèi)測(cè)量3個(gè)不同方向的加速度、角速度。

3 功能設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能盲杖系統(tǒng)由物體識(shí)別和語音播報(bào)設(shè)計(jì)、GPS和GSM通信設(shè)計(jì)、摔倒報(bào)警設(shè)計(jì)以及紅外遙控自尋找設(shè)計(jì)組合而成，整體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)流程圖

3.1 物體識(shí)別和語音播報(bào)設(shè)計(jì)（包含報(bào)時(shí)功能）

本文設(shè)計(jì)的智能盲杖系統(tǒng)通過K210 視覺識(shí)別模塊識(shí)別前方物體，識(shí)別完成后將結(jié)果通過串口通信傳入單片機(jī)后，將播報(bào)的數(shù)據(jù)傳輸給SYN6288 語音模塊進(jìn)行播報(bào)前方識(shí)別到的物體。同時(shí)，在本文智能盲杖的扶手處，設(shè)計(jì)按鍵，用戶通過按鍵可以通過SYN6288語音模塊來播報(bào)當(dāng)前時(shí)間。

在本文的設(shè)計(jì)中，需先在MaixHub 云端訓(xùn)練所需識(shí)別的物體的模型，并將訓(xùn)練完成的信息存儲(chǔ)到SD卡中。將SD卡插入K210模塊的SD卡槽后，K210模塊中會(huì)自動(dòng)使用SD 卡中訓(xùn)練的模型來進(jìn)行識(shí)別。在開發(fā)環(huán)境MaixPy IDE 中使用Micropython 語言編寫K210 子程序。K210子程序中，通過攝像頭識(shí)別前方障礙物的信息后由串口將識(shí)別的信息傳入單片機(jī)。SY6288 語音模塊子程序中，通過串口接收識(shí)別到的物體信息，并將識(shí)別到的前方物體信息傳入語音模塊進(jìn)行播報(bào)。報(bào)時(shí)模塊子程序中，通過不斷掃描按鍵狀態(tài)，判斷按鍵狀態(tài)是否變化，按下時(shí)，獲取DS1320 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊的實(shí)時(shí)時(shí)間并播報(bào)。

3.2 GPS和GSM通信設(shè)計(jì)

當(dāng)前用戶的地理位置信息通過GPS和串口對(duì)GPS模塊發(fā)射的經(jīng)緯度和地理位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼獲得，獲取；GSM模塊則通過SIM800C上攜帶的SIM卡上的基站信息實(shí)現(xiàn)摔倒短信求救和求助信息的主動(dòng)發(fā)送。

3.3 摔倒報(bào)警設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的摔倒報(bào)警功能通過MPU6050 陀螺儀模塊檢測(cè)盲杖的傾斜角度判斷。通過將陀螺儀模塊放置在盲杖底端獲取盲杖X軸、Y軸以及Z軸的加速度和角速度，然后將獲取到的加速度和角速度值使用四元數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，得出盲杖的姿態(tài)角，當(dāng)俯仰姿態(tài)角超過75°或橫滾姿態(tài)角超過60°時(shí)，判斷為傾倒，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出響聲，并將傾倒信息通過IIC 通信傳送到GPS/GSM模塊中。

3.4 紅外遙控自尋找設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的紅外遙控自尋找功能通過紅外模塊、紅外遙控器和蜂鳴器模塊實(shí)現(xiàn)，當(dāng)盲杖遺落時(shí)，盲人可按下紅外遙控器使蜂鳴器發(fā)出響聲，由此判斷盲杖遺落的位置。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中測(cè)試本文設(shè)計(jì)的盲杖的真實(shí)性能：（1）測(cè)試該盲杖的視覺識(shí)別障礙物功能；（2）測(cè)試該盲杖的避障功能；（3）測(cè)試該盲杖的摔倒報(bào)警與一鍵報(bào)警功能；（4）測(cè)試該盲杖的紅外自尋找功能。

4.1 準(zhǔn)備階段

實(shí)驗(yàn)人員選擇兩名能夠獨(dú)立行走且具有自主意識(shí)的健康視障者，分別為25 歲和65 歲，下文稱為A 試驗(yàn)人員和B 試驗(yàn)人員，并且講解該盲杖的功能與使用方法。在封閉路段的不同場(chǎng)景下，測(cè)試使用者能否成功使用該盲杖完成獨(dú)立出行。

4.2 場(chǎng)地的真實(shí)性

場(chǎng)地選取一條封閉道路，并且在道路中每隔5 m放置一個(gè)障礙物，分別為水瓶、小狗、汽車、自行車以及終點(diǎn)的水潭。整條道路都配備安全人員，保障試驗(yàn)人員的安全。

4.3 用戶測(cè)試

首先A 試驗(yàn)人員手握盲杖的手柄部分開始前行，速度為2.1 km/h，前行到水瓶障礙物前50 cm 時(shí)，盲杖減速為0.5 km/h并開始語音播報(bào)“前方有水瓶，請(qǐng)注意安全”，并在距水瓶15 cm時(shí)盲杖開始自主向左緩慢轉(zhuǎn)彎繞行，成功繞行后，依次成功通過小狗、汽車、自行車等障礙物。運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，距水潭60 cm 處，盲杖停止前進(jìn)并且開始語音播報(bào)“前方有水潭，請(qǐng)停止前行”。

然后盲杖停止前行后，由安全員將測(cè)試道路上的障礙物清空，并且調(diào)轉(zhuǎn)盲杖的方向，緩慢由A試驗(yàn)人員前行回起點(diǎn)，該過程盲杖在無障礙物的道路上前進(jìn)穩(wěn)定，速度為2.1 km/h。

接著在起點(diǎn)進(jìn)行一鍵報(bào)警功能以及摔倒報(bào)警功能測(cè)試，A 試驗(yàn)人員，通過使用手柄前端的按鍵，進(jìn)行一鍵報(bào)警，5 s 后家人手機(jī)成功接收到求救短信“摔倒報(bào)警 經(jīng)度113.74207 緯度23.23222”。

隨后將盲杖推倒，使盲杖發(fā)送摔倒報(bào)警短信給家人，5 s 后家人手機(jī)成功接受到求救短信“求救報(bào)警經(jīng)度113.74207緯度23.23222”。

最后由安全人員將盲杖扶起后，A 試驗(yàn)人員手握盲杖的手柄部分，開始測(cè)試盲杖的報(bào)時(shí)功能與紅外自尋找功能，通過A試驗(yàn)人員按下手柄左側(cè)按鍵，盲杖進(jìn)行報(bào)時(shí)“北京時(shí)間下午兩點(diǎn)二十分”，結(jié)束報(bào)時(shí)后，由安全人員將盲杖放置距A試驗(yàn)人員5 m處，由A試驗(yàn)人員紅外遙控器的按鈕，盲杖開始發(fā)出嗡嗡聲，隨后A試驗(yàn)人員成功判斷盲杖的方向。試驗(yàn)結(jié)束，成功完成試驗(yàn)。

B試驗(yàn)人員同樣進(jìn)行該試驗(yàn)，盲杖同樣穩(wěn)定運(yùn)行。

5 智能盲杖的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用

隨著互聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及，數(shù)字化社會(huì)成為常態(tài)，傳統(tǒng)的盲杖難以為視障者提供全方位的幫助；而且盲道的建設(shè)城市化高速發(fā)展的過程中，也存在不符合標(biāo)準(zhǔn)、被破壞、被占用等的諸多問題，導(dǎo)致視障者在單獨(dú)外出時(shí)更加難以分辨路況從而活動(dòng)受到限制。因此，智能盲杖的功能設(shè)計(jì)不僅要保障視障者的出行安全，更需要保障其生命安全。

5.1 識(shí)別路障保障出行安全

我國存在盲道被占用率高、建設(shè)不合理且路況復(fù)雜多變等交通環(huán)境問題，導(dǎo)致視障者在出行時(shí)，伴隨著諸多安全隱患，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。本文設(shè)計(jì)的智能盲杖，具備視覺識(shí)別障礙物的技術(shù)，在視障者出行過程中，能夠提前識(shí)別前方的障礙物，并及時(shí)進(jìn)行語音播報(bào)，達(dá)到智能提示安全避障的效果；同時(shí)盲杖能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拐彎、避讓障礙物的功能，能有效降低視障者因障礙物而摔倒或碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，保障視障者的出行安全是智能盲杖功能設(shè)計(jì)的第一要義。

5.2 報(bào)警系統(tǒng)預(yù)防安全隱患

在視障者出行的過程中，由于視力受限而存在許多不定性的安全隱患，可能會(huì)導(dǎo)致其陷入危險(xiǎn)之中，視障者極有可能難以自行使用智能手機(jī)報(bào)警從而導(dǎo)致不能得到及時(shí)的救治。這種情況在我國時(shí)有發(fā)生且數(shù)量相對(duì)較多，因此，本文設(shè)計(jì)的智能盲杖考慮到視障者自身的生命安全，設(shè)置了一鍵報(bào)警的功能，可以通過按下按鍵發(fā)送包含位置信息的求救短信給第一聯(lián)系人，并提醒其報(bào)警，從而保障視障者的生命安全。

6 結(jié)語

基于本文設(shè)計(jì)的智能視覺播報(bào)盲杖進(jìn)行一系列的實(shí)際測(cè)試，實(shí)際測(cè)試結(jié)果與盲杖的功能設(shè)計(jì)高度吻合。在復(fù)雜的外界環(huán)境下，能全方位識(shí)別前方障礙物的同時(shí)實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)前方障礙物的功能；并且還具備了報(bào)時(shí)功能和一鍵快速定位報(bào)警功能，及時(shí)為家人提供準(zhǔn)確的位置求助信息，使視障者在出行過程中能得到安全的保障和便利的服務(wù)。因此，智能盲杖的設(shè)計(jì)較符合新時(shí)代視障者的生活需求，且具備較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可使用性，能為視障者提供更好、更全面的安全保障。