物聯(lián)網(wǎng)盲人智能手杖的設計

鄧健志，程小輝，鄧卓洪

(桂林理工大學 物聯(lián)網(wǎng)實驗室，廣西 桂林 541004)

物聯(lián)網(wǎng)盲人智能手杖的設計

鄧健志，程小輝，鄧卓洪

(桂林理工大學 物聯(lián)網(wǎng)實驗室，廣西 桂林 541004)

設計了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的盲人智能手杖，手杖采用超聲波、紅外避障、熱釋感應傳感器檢測行人和障礙物，用藍牙語音和振動進行避障提醒，用GPS、GSM完成用戶定位和呼救信息的報送。給出了手杖以及呼救中心的整體方案和軟、硬件設計，并對手杖的避障、藍牙通信、語音播報、振動提示、定位、短信發(fā)送和呼救中心等各項功能進行了測試。該設計能夠?qū)崿F(xiàn)盲人用戶的行路引導、呼救信息報送和響應處理，具有一定應用推廣價值。

盲人手杖；避障；藍牙；語音提示；GPS定位

行走對盲人來說是一件十分困難的事，既要隨時注意前方障礙，同時也要注意腳下較深的凹陷。傳統(tǒng)的盲人拐杖是使用一根長桿來設計的，其設計簡單，功能單一，存在很多的不足。盡管盲人出行的輔助工具還有導盲犬、導盲機器人、掌上電腦導盲裝置等，但是能有一款功能多樣的智能盲人手杖，將極大方便盲人外出。

1 系統(tǒng)方案設計

本項目設計了一款盲人智能手杖，采用超聲波測距、人體熱釋感應、紅外避障等方法實現(xiàn)避障，藍牙通信、GSM和GPS模塊來實現(xiàn)短信的收發(fā)和盲人的位置的定位等功能，從而為盲人出行提供一個引路、避障、求助報警的綜合服務[1-3]。

本設計可以實現(xiàn)人員和障礙物的避讓提示報警以及盲人求助和位置信息的報送。其中，采用超聲波測距、熱釋感應和紅外避障傳感器構(gòu)成障礙檢測、行人避讓檢測的系統(tǒng)：

1)在手杖的上方用超聲波傳感器，檢測前上方的障礙；

2)用手杖中間位置的超聲波測距、人體熱釋傳感器，檢測前方的行人或障礙物；

3)下方與手拐杖根部約15 cm位置的紅外避障傳感器，檢測正前方的臺階；

4)手杖根部約10 cm的位置的超聲波測距模塊，檢測手杖正下方是否有凹陷和深坑。

通過藍牙無線語音和震動提示，提醒盲人避障；語音提示采用藍牙耳機接收播放。

當盲人遇到突發(fā)事件無法自己處理或者盲人走失的時候，盲人可以通過求助系統(tǒng)請求幫助，其方案為：由緊急求助按鍵激活，由GPS模塊實現(xiàn)盲人定位和求助報警，再由GSM模塊實現(xiàn)位置信息的短信收發(fā)[4-5]。

2 系統(tǒng)的硬件設計

系統(tǒng)的硬件分為盲人智能手杖和呼救中心接收平臺。智能手杖為盲人行走提供幫助，并發(fā)出緊急呼救請求；呼救中心接收平臺負責接收來自智能手杖的呼救定位信息。系統(tǒng)原理圖如圖1。

2.1 手杖設計

盲人手杖設計主要包括障礙物檢測、障礙提示、呼救發(fā)送3部分：1)障礙物檢測部分主要包括：超聲波測距模塊、人體熱釋傳感器模塊和紅外避障傳感器模塊，通過結(jié)合這3個模塊來判別前方是否有障礙物或者行人；2)障礙提示部分包括語音模塊、震動電機和藍牙模塊，采用語音芯片ISD1720實現(xiàn)語音提示的錄制和播放，用于播放語音提示盲人障礙物的方位，同時用振動電機輔助提示，采用藍牙模塊來實現(xiàn)手杖的檢測信息和障礙提示部分的無線數(shù)據(jù)傳輸；3)呼救發(fā)送部分包括GPS模塊和GSM模塊，由GPS獲取手杖的位置信息，并由GSM模塊實現(xiàn)位置信息的短信發(fā)送。

手杖采用MK60N512VMD100(簡稱K60)作為主控芯片，障礙檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過K60處理后，發(fā)出提示信息，并通過藍牙發(fā)送；同時，K60還用于讀取GPS的定位信息，并經(jīng)由GSM發(fā)送短信。

2.2 呼救中心接收平臺

呼救中心接收平臺使用MK60作為主控芯片，利用GSM無線模塊接收手杖發(fā)來的呼救信號；當接收到呼救信號時，由K60讀取呼救信號中包含的GPS定位信息，并通過串口上傳到PC機上；PC機由基于MFC的地圖顯示軟件接收定位信息，并在地圖上標記呼救的位置；為了便于查看信息和調(diào)試，采用4×4矩陣鍵盤輸入信息，采用分辨率為320×240的TFT彩屏顯示信息。

MK60N512VMD100是飛思卡爾公司的Kinetis系列單片機，這是基于Cortex-M4內(nèi)核的32位多功能微控制器，時鐘頻率可設置為200 MHz，運行速度快；可尋址4 Gbyte空間，內(nèi)存RAM為256 kbyte，F(xiàn)lash存儲容量為512 kbyte；支持快速、高精度的12位DAC和16位ADC；擁有DMA控制器、SDHC總線、SPI總線等特性，非常適合用于實現(xiàn)平臺的功能。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟計分為盲人手杖和呼救中心接收平臺兩部分，模塊軟件設計如下。

3.1 總體軟件設計流程

盲人手杖正常工作時，首先對啟動各個障礙物檢測模塊，將傳感器反饋回來的信息傳送到MCU，通過MCU處理后，判斷前方是否存在障礙物或行人，如果前方有障礙物或行人，開啟震動提醒，同時啟動藍牙模塊傳輸數(shù)據(jù)，交給從機處理語音播放模塊，從而實現(xiàn)語音提示功能。流程如圖2a所示。

當盲人遇到緊急情況或者走失的時候，盲人可以通過按下緊急按鈕，手杖就會立刻將盲人當前位置的信息發(fā)送到呼叫中心，這時，呼叫中心就會接收到盲人的請求，以便給予快速的支援。

3.2 障礙物檢測程序設計

障礙檢測是手杖關(guān)鍵的功能部分，程序設計時分別檢測上、中、下以及正下方來障礙物的信息，并設置標志位bar_flag判斷障礙物與盲人的距離是否安全，在將其標志位數(shù)值通過藍牙模塊傳輸，藍牙耳機端根據(jù)數(shù)值播放語音提示。障礙物檢測程序設計流程如圖2b所示。

3.3 GPS數(shù)據(jù)格式

GPS模塊的數(shù)據(jù)格式為：$信息類型：x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x，x每行開頭的字符都是‘$’，接著是信息類型，后面是數(shù)據(jù)，以逗號分隔開。一行完整的數(shù)據(jù)如下：

$MYMGPGGA，062031.00，2503.69113，N，11017.89384，E，1，07，1.37，174.8，M，-17.6

GPGGA為信息代號，062031.00為時間時分秒，2 503.691 13為緯度值，N為南北半球指示，11 017.893 84為經(jīng)度值，E為東西半球指示，1為定位代號指示，07為搜到的衛(wèi)星數(shù)，1.37為水平稀釋度，174.8為海拔高度，M為單位“米”，-17.6地表平均高度等。

3.4 呼救中心接收平臺設計

當呼救中心接收平臺從GSM無線模塊接收到呼救信號時，由K60讀取呼救信號中包含的GPS定位信息，并通過串口上傳到PC機上；PC機由地圖顯示軟件接收定位信息，并在地圖上標記呼救的位置。程序流程為：系統(tǒng)上電初始化，完成各功能模塊的設置和初始化；等待GSM模塊接收到新短信；當新短信為呼救信息時，提取定位信息，顯示在彩屏上；并通過串口上傳到PC機，以上程序設計流程圖如圖2c所示[6-8]。

3.5 地圖軟件顯示定位位置

用VC++編寫基于串口API和GOOGLE-MAP的地圖顯示軟件，通過串口接收手杖呼救人的號碼和經(jīng)緯度信息，然后在地圖上跳轉(zhuǎn)到該位置，顯示出信息；同時把呼救人保存到列表，方便隨時查看多個呼救人信息。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開發(fā)在IAR Systems 公司的集成開發(fā)環(huán)境IAR Em

a 軟件總體設計流程

b 障礙物檢測流程

c 呼救中心接收平臺控制流程

bedded Workbench下進行。為了調(diào)試方便，系統(tǒng)采用鍵盤和液晶模塊，方便修改和查看調(diào)試參數(shù)，實現(xiàn)工作模式切換、顯示短信定位信息等功能。

4.1 手杖檢測障礙物調(diào)試

這部分主要是設定各個超聲波檢測的距離值，當超聲波測得的距離值小于預設值的時候，就認為遇到障礙物，再結(jié)合人體熱釋傳感器具體判斷該障礙物是行人還是障礙物。在測試過程中，當傳感器檢測到某種狀態(tài)的時候，就點亮某個LED燈，表示該位置檢測到障礙物，那么將這個位置的障礙物標志位通過藍牙發(fā)送到另一端，即可播放相應的語音，實現(xiàn)語音提示功能。測試時，障礙物距離的對應關(guān)系如表1所示。

表1 障礙物距離的對應關(guān)系 cm

傳感器預設值S1實際測量值S2ΔS=|S1-S2|數(shù)值代表的意義下方正面朝下超聲感應15

4.2 GPS定位調(diào)試

GPS模塊調(diào)試可以通過計算機串口連GPS模塊實現(xiàn)對模塊的調(diào)試，GPS定位數(shù)據(jù)實例如表2及圖3所示。

表2 GPS模塊定位數(shù)據(jù)例

位置經(jīng)度緯度宿舍E110．29820N25．06154食堂E110．29835N25．06185

圖3 GPS定位數(shù)據(jù)(截圖)

4.3 呼救中心接收平臺測試

在PC平臺下用VC++編寫基于串口API和GOOGLE-MAP的地圖顯示軟件，通過串口接收來自GPS模塊的經(jīng)緯度信息，然后在地圖上跳轉(zhuǎn)到該位置，并顯示出信息。首先，初始化GSM接收機，讀取最新的呼救信息，并在軟件中加載地圖，標記預設呼救中心位置，如圖4a所示。

a 呼救中心PC平臺(截圖)

b 彩屏顯示定位信息(截圖)

然后，由手杖向呼救中心發(fā)送呼救信息。接收平臺接收并提取定位信息顯示在彩屏上，再通過串口上傳到PC機的地圖軟件，在地圖上標記呼救的位置，同時寫入呼救人列表備查，如圖4b所示。

5 總結(jié)

本設計通過使用常用的測距模塊、震動模塊、GSM和GPRS技術(shù)、藍牙模塊的使用和語音芯片的使用等技術(shù)相結(jié)合，用測距傳感器和人體熱式傳感器模塊檢測前方是否有行人或障礙物，再用藍牙傳輸信息，通過語音和震動來提醒用戶；GSM和GPRS技術(shù)實現(xiàn)盲人當前位置的定位以及短信收發(fā)功能，實現(xiàn)緊急事件處理功能。

致謝：

論文成果感謝通信作者鄧卓洪對設計的指導，以及唐基譽、劉成杰、吳權(quán)霖3位同學在設計中進行的大量實驗和測試。

[1] 顧幸方，陳晉音.移動機器人未知環(huán)境避障研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(5)：16-21.

[2] 李錄鋒.基于AT89C51超聲波測距控制系統(tǒng)設計[J].制作業(yè)自動化，2012，34(2)：45-47.

[3] 張邦成，張玉玲，王昕,等.超聲紅外復合測距系統(tǒng)設計[J].制作業(yè)自動化，2011，33(7)：122-124.

[4] 郝宏剛，胡文帥，田海燕.一種用于藍牙終端的小型天線設計[J].電視技術(shù)，2012，36(5)：38-40.

[5] 姚劍琴.基于GPS技術(shù)的定位監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 制作業(yè)自動化，2012，34(4)：50-52.

[6] 熊妍，羅澤，閻保平.GPS位置歷史挖掘和移動軌跡異常檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用研究， 2013，30(9)：2704-2706.

[7] 盧靈.基于Web瀏覽器的GPS定位地圖的下載與處理[J].電視技術(shù)，2012，36(18)：54-57.

[8] 田紅彬，吉煒寰.基于GPS的公交車智能調(diào)度與位置發(fā)布系統(tǒng)[J].電視技術(shù)，2013，37(11)：188-190.

鄧健志(1982— )，高級實驗師，主要研究通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)；

程小輝(1951— )，教授，碩士生導師，主要研究計算機網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)；

鄧卓洪(1956— )，工程師，主要研究信息管理、物聯(lián)網(wǎng)等，為本文通訊作者。

責任編輯：時 雯

Design of Blind Man Smart Cane Based on IOT

DENG Jianzhi，CHENG Xiaohui，DENG Zhuohong

(IOTLab，GuilinUniversityofTechnology，GuangxiGuilin541004，China)

A blind man smart cane based on IOT is designed in this paper. In this design，ultrasonic，infrared and pyroelectric induction sensors are used to detect pedestrians or obstructions while voice and vibration are used to warn the user. GPS and GSM are used to location and send the calling information. Design and test of the hardware and software of the cane and calling center are shown. This design can be used as a guide and help calling tool with good application value.

blind man smart cane； obstacle avoidance； warning； GPS location

國家自然科學基金項目(61262075)

TP73

A

10.16280/j.videoe.2015.22.005

2015-05-18

【本文獻信息】鄧健志，程小輝，鄧卓洪.物聯(lián)網(wǎng)盲人智能手杖的設計[J].電視技術(shù),2015，39(22).