摘 要：目前許多盲人出行極不方便，時常經(jīng)歷盲道被占用，路途有障礙，導(dǎo)盲犬不許上公交等情況。為了使他們的生活更加便利，文中設(shè)計了一款基于STC15F2K60S2單片機的智能語音盲人拐杖。本項目采用調(diào)查法，調(diào)查目標用戶盲人群體的出行狀況以及現(xiàn)存盲人智能拐杖的基本情況，了解盲人群體需求，綜合調(diào)查資料，初步確定了軟硬件設(shè)計思路。目前確定初步實現(xiàn)環(huán)境信息顯示、語音識別、短信報警、GPS定位等功能。增加按鍵，控制不同的功能，實現(xiàn)功能的簡單切換。按動按鍵，當(dāng)在設(shè)定范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時，系統(tǒng)語音助手自動播報預(yù)警語音；按下語音導(dǎo)航按鍵后，導(dǎo)航系統(tǒng)自動規(guī)劃最優(yōu)路線，語音助手播報位置并導(dǎo)航；當(dāng)使用者遇到麻煩時，按下SOS按鍵，系統(tǒng)自動聯(lián)系緊急聯(lián)系人，緊急聯(lián)系人若未接通電話，則自動轉(zhuǎn)接距離最近的警局；當(dāng)使用者準備上樓梯時，按下伸縮按鍵，拐杖自動伸縮，輔助使用者上下樓梯。該智能語音拐杖有助于提升盲人用戶的生活質(zhì)量，保障他們的出行安全。

關(guān)鍵詞：單片機；智能語音；探測障礙；GSM 通信；超聲波；定位系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，智能盲人拐杖應(yīng)運而生，最大程度便利盲人的生活。智能盲人拐杖擁有障礙物探測、GPS定位、語音導(dǎo)航等功能。障礙物探測利用超聲波技術(shù)，可以準確、迅速探測出使用者附近的障礙物，通過語音播報告知使用者，極大程度避免使用者摔倒或者磕碰。系統(tǒng)適用于盲人、視力下降嚴重的老人出行，可保障其出行安全。

1 智能語音拐杖

文中設(shè)計了一款擁有語音識別功能的智能拐杖，使用者準確說出目的地，拐杖便可自動導(dǎo)航帶路；該產(chǎn)品擁有超聲波探測障礙物功能，能探測前方25 cm以內(nèi)的障礙物，通過語音播報告知使用者，保障使用者的出行安全[1]。

2 需求分析及方案設(shè)計

2.1 任務(wù)要求

利用GPS等技術(shù)對前方危險及時探知并做出反應(yīng)，報告特定位置并提供語音警報。

系統(tǒng)規(guī)劃的路徑均不存在障礙物，可指引盲人到達目的地。超聲波探知前方障礙物，及時預(yù)警，保證盲人的人身安全；傳感器伸縮功能使盲人上下樓梯更加安全；智能通話技術(shù)可在使用者遇到危險時第一時間報警[2]。

該多功能智能盲人拐杖以STC15F2K60S2單片機為核心，采用硬件和軟件相結(jié)合的設(shè)計方法。項目旨在設(shè)計低成本、效果良好的智能拐杖[3]。

2.2 需求分析

（1）基礎(chǔ)定位系統(tǒng)—GPS：導(dǎo)入高德或者百度地圖系統(tǒng)，利用現(xiàn)有技術(shù)定位盲人位置，綁定的其他用戶手機端能實時監(jiān)測盲人用戶的地理位置。盲人偶遇危險可以按求救鍵呼救，系統(tǒng)端將發(fā)送求救短信和盲人用戶的實時地址到綁定用戶手機端[4]。

（2）語音播報系統(tǒng)—NRK10語音識別芯片模塊：NRK10無需外圍元器件，直接對接外部。其語音播報功能附帶GPS基礎(chǔ)定位系統(tǒng)。拐杖軟件系統(tǒng)綜合資料整合匯總出最適合盲人的行走路線，通過語音指導(dǎo)，直行，向左或向右，輔助盲人順利、安全到達指定地點[5]。

（3）障礙物探測—超聲波脈沖功能：盲人無法感知路障，超聲波距離探測器可根據(jù)紅外線探測出盲人半徑0.25 m范圍內(nèi)的障礙物，隨后發(fā)出警報，提醒盲人躲避障礙物。

（4）自動伸縮—線性傳感器：線性傳感器能夠自動探測出拐杖與目標位置的距離，碰觸到臺階時，會自動收縮調(diào)整至合適長度，方便盲人上下臺階。

相較于以前的技術(shù)，本項目的創(chuàng)新之處在于超聲波探測到范圍內(nèi)的障礙物后，會在數(shù)據(jù)庫搜索對應(yīng)障礙物種類，通過語音播報告知盲人，便于其躲避障礙物。而且該智能拐杖與導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，會語音播報指導(dǎo)盲人安全、順利到達目的地[6]。

2.3 總體方案

項目從硬件和軟件兩方面進行設(shè)計，由STC15F2K60S2單片機為主體控制其他硬件。拐杖擁有五個模塊，分別是時鐘模塊、GPS導(dǎo)航模塊、超聲波模塊、GSM模塊以及LED閃爍燈。拐杖由傳感系統(tǒng)、聲音報警模塊、控制單元、接收器和電源組成。測距儀使用頻率為27.6 MHz的射頻波。在運行的過程中，系統(tǒng)自動在安全區(qū)域內(nèi)探測，所有需要的數(shù)據(jù)都會由相應(yīng)單元控制傳輸。無限載波由傳感器產(chǎn)生并且傳播到目標處，反射信號由接收器檢測，最后由控制單元計算距離并與數(shù)據(jù)庫進行比較。安全狀態(tài)下不會觸發(fā)語音報警系統(tǒng)，只有地理位置不在安全范圍內(nèi)時，聲音報警系統(tǒng)才會自動啟動。盲人用戶一旦迷路，系統(tǒng)即刻發(fā)送盲人位置給緊急聯(lián)系人，這一功能的實現(xiàn)依附于GSM模塊和GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)。LED閃爍燈會在夜晚光照度下降時自動開啟，以告知夜晚中的來往機動車和其他路人避讓盲人，保障盲人夜晚出行的安全。軟件流程如圖1所示。

3 開發(fā)環(huán)境

在控制設(shè)計學(xué)科中，通常選擇Keil C軟件編程，并且使用Proteus軟件仿真電路。Keil C與Proteus結(jié)合，為軟件技術(shù)的實現(xiàn)提供了很大幫助。在Keil C的編程界面能找到仿真按鍵，其不僅僅可支撐匯編、C語言的單獨編程，還能滿足混合編程要求[7]。

一個完整度高的系統(tǒng)一定會有強大的軟件支撐，我們也需要有清晰、完整的邏輯思維和創(chuàng)新的思維模式。在設(shè)計過程中，我們嘗試采用模塊化設(shè)計，從主程序中提取出子程序，達到簡單高效閱讀的效果。

4 硬件設(shè)計

4.1 單片機模塊

系統(tǒng)的運行離不開單片機，本項目采用STC15F2K60S2單片機。STC15F2K60S2單片機屬于新一代高可靠、高速率、低功耗、抗干擾性強的高度精密芯片，其附帶的存儲器性能高效。中央處理器共有八位，和存儲單位共同作用。單片機原理如圖2所示。

4.2 時鐘模塊

時鐘模塊選用DS1302，其可保存時間和日歷信息，并且能夠精確到年、月、日、時、分、秒。模塊含有AM/PM系統(tǒng)，可以依據(jù)喜好設(shè)置時間制度。

模塊擁有雙電源，在工作與待機時分別使用主電源和備用電源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。時鐘電路利用串口通信，提前將命令字節(jié)發(fā)布。

4.3 GPS導(dǎo)航模塊

GPS定位系統(tǒng)可隨時接收基站搜集的實時消息，并且反饋給盲人用戶，配合語音功能，實現(xiàn)語音導(dǎo)航。GPS使用SPS模式，精確度高。本項目還支持北斗系統(tǒng)，其對于衛(wèi)星信號捕捉能力強，可快速計算、定位使用者的經(jīng)緯度信息。工作時，GPS導(dǎo)航模塊與STC15F2K60S2交換信息，搜集的數(shù)據(jù)從串口傳輸[8]。GPS導(dǎo)航傳輸流程如圖3所示。

4.4 超聲波模塊

超聲波模塊屬于項目核心。超聲波模塊開始工作時，會發(fā)射脈沖，即超聲波。這種擁有周期性的超聲波觸碰到目標方向的障礙，會迅速按照原路徑返回接收器。該過程系統(tǒng)自動計時，脈沖按原路徑返回后計時隨即停止。計時的時間設(shè)置為T，理論上超聲波的速度為340 m/s，通過公式可以得到使用者與前方障礙物的距離。當(dāng)340t/2小于或者等于25 cm時，觸發(fā)系統(tǒng)語音播報，警示使用者。導(dǎo)航系統(tǒng)接收指令迅速規(guī)劃新的行走路線，為使用者提供安全的行走路徑。

4.5 GSM模塊

通話系統(tǒng)擁有GSM模塊，可發(fā)送求救信息，盲人用戶按住SOS按鍵，可一鍵聯(lián)系緊急聯(lián)系人。項目選擇SIM900A模塊，該模塊耗能低、效率高，且擁有適應(yīng)在不同頻率下工作的能力。嵌入TCP/IP系統(tǒng)，達到數(shù)據(jù)即時傳輸?shù)男Ч?。超聲波模塊演示圖如圖4所示。

使用者需自備電話卡，安裝在相應(yīng)卡槽，控制對應(yīng)按鍵可聯(lián)系緊急聯(lián)系人。模塊雖然可以在兩種不同的頻率下工作，但是在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)時，要配置相同的頻率[9]。

4.6 語音模塊

語音模塊是智能盲人拐杖必不可少的一部分，語音模塊可以實現(xiàn)導(dǎo)航、緊急報警、時間播報、障礙物提醒等功能。由SCLK、MOSI、MISO、SS進行串口連接，通過SPI協(xié)議和外圍設(shè)備交換需要的數(shù)據(jù)。語音模塊不僅可以播報相關(guān)內(nèi)容，還可以實時錄音，與STC15F2K60S2單片機主控芯片對接，從而儲存錄音結(jié)果[10]。語音模塊功能示意如圖5所示。

5 軟件設(shè)計

5.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)板塊共分為四部分，分別是語音播報、導(dǎo)航系統(tǒng)、超聲波系統(tǒng)、自動伸縮。當(dāng)使用者不需要時，軟件處于待機狀態(tài)，只有使用者觸發(fā)按鈕后，才能啟用相應(yīng)功能[11]。

5.1.1 路線規(guī)劃系統(tǒng)

利用GPS芯片鎖定經(jīng)緯度之后通過百度地圖轉(zhuǎn)換所需坐標，并且由軟件自動編碼，將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為位置坐標。

系統(tǒng)會提前測定目標地點的經(jīng)緯度，設(shè)定拐杖所處的地理位置為最初的目標經(jīng)緯度，通過播報的語音，利用地圖編程獲得目標經(jīng)緯度，最后獲得智能系統(tǒng)規(guī)劃的路線[12]。

5.1.2 超聲波系統(tǒng)

使用者按下超聲波按鍵后，單片機發(fā)送脈沖。待超聲波返回，測量數(shù)據(jù)，計算距離。當(dāng)安全距離大于測量的數(shù)據(jù)時，將播報語音提示使用者[13]。

5.1.3 語音播報系統(tǒng)

本項目使用改進的語音播報系統(tǒng)，通過開發(fā)的新型項目，實時錄制所需音頻，當(dāng)智能語音被觸發(fā)后，能夠自動獲取需要的音頻，依附搜狗APP的搜索引擎自動呈現(xiàn)文字內(nèi)容。匹配與數(shù)據(jù)庫相同的內(nèi)容，自動檢查轉(zhuǎn)換的文字是否存在于數(shù)據(jù)板塊。如果存在，則對其修改；如果不存在，則系統(tǒng)自動處理，通過搜狗APP將相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為音頻后，由播報系統(tǒng)即時播報。

6 結(jié) 語

智能語音拐杖應(yīng)用超聲波探測、語音播報等技術(shù)，實現(xiàn)了對盲人用戶出行環(huán)境的監(jiān)測，可及時規(guī)劃最優(yōu)路線，規(guī)避了道路阻塞、施工占道等影響盲人出行的問題，可語音導(dǎo)航至目的地。同時，該智能語音拐杖具備的自動伸縮功能可輔助盲人用戶上下樓梯，最大程度保障人身安全。

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