智能盲人導(dǎo)航儀設(shè)計與實現(xiàn)*

陳忠孝，倪 珍，汪宜軍，秦 笑，張 方

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

智能盲人導(dǎo)航儀設(shè)計與實現(xiàn)*

陳忠孝，倪 珍，汪宜軍，秦 笑，張 方

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

研制了一款智能盲人導(dǎo)航儀，盲人可以與導(dǎo)航儀進(jìn)行簡單的語音交流，導(dǎo)航儀可以實現(xiàn)盲人定位和壁障，使盲人安全地到達(dá)目的地。隨著以單片機(jī)為核心的微控裝置的廣泛應(yīng)用和單片機(jī)技術(shù)的日益成熟，其可以為盲人提供很多新的幫助。以STM32芯片為核心，提出了具有超聲波模塊測距避障(KT40-1602)、語音模塊(LD3320)交流和GPS 模塊導(dǎo)航功能的新型智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。其不僅具有目前導(dǎo)航設(shè)備的一般傳感器功能，而且還有語音識別功能和語音導(dǎo)航功能，這些功能使盲人更貼近生活，具有深遠(yuǎn)的意義。

單片機(jī)；導(dǎo)航；盲人；語音識別；避障

盲人導(dǎo)航系統(tǒng)由導(dǎo)航儀終端、無線輔助中心和監(jiān)控中心組成。導(dǎo)航儀終端安裝GPS接收、GPRS/GSM數(shù)據(jù)傳送、Zigbee通信和電子羅盤等單元。在盲人通過十字路口時，可以確定盲人的具體位置和朝向，無線輔助中心提供交通燈的狀態(tài)并對盲人進(jìn)行準(zhǔn)確定位。當(dāng)盲人迷路時，可以通過GPS接收經(jīng)緯度信息，同時發(fā)送給監(jiān)控中心或者家人要求幫助。監(jiān)控中心接收到盲人位置信息并處理后回傳導(dǎo)航信息，也可進(jìn)行人工語音導(dǎo)航。

盲人導(dǎo)航是世界性的復(fù)雜課題，其真正發(fā)展離不開社會的公益援助。國內(nèi)外對于盲人導(dǎo)航已經(jīng)有一些試驗性的應(yīng)用，如盲人手機(jī)，但只是對普通手機(jī)的外觀機(jī)械特征的優(yōu)化和改動，其他較為智能化的手段如RFID識別則需要較高的投入，很難實際應(yīng)用。本設(shè)計結(jié)合了計算機(jī)和通信等技術(shù)，具有下述的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益：1)針對盲人行為特點設(shè)計，經(jīng)調(diào)查國內(nèi)還無此類應(yīng)用；2)采用主流的控制技術(shù)與通信技術(shù)，保證了產(chǎn)品的通用性及先進(jìn)性；3)產(chǎn)品還可以進(jìn)行進(jìn)一步的功能完善和成本降低，如添加地理信息存儲器(卡)，使盲人可以即時了解自己所處位置而不用求助于第三方平臺。

GPS盲人導(dǎo)航器外形采用臂套式設(shè)計，可以固定在胳膊上，用另一只手進(jìn)行觸摸操作，同時這樣的設(shè)計又不失時尚和優(yōu)雅性，可以幫助盲人用戶更加方便地出行。

1 盲人導(dǎo)航儀系統(tǒng)工作原理與總體設(shè)計

1.1 工作原理

盲人導(dǎo)航儀用STM32作為主控芯片，盲人可通過LD3320語音模塊和主芯片進(jìn)行交流，報告目的地，GPS模塊能夠確定盲人的起始位置和目的地。主芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過語音芯片報告盲人的行進(jìn)路線，在行進(jìn)過程中，超聲波模塊能夠測量路線上的障礙物，并告知盲人障礙物的具體位置，盲人就可以有效地躲避障礙物前進(jìn)。盲人導(dǎo)航儀原理圖如圖1所示[1-2]。

圖1 導(dǎo)航儀原理圖

1.2 總體設(shè)計

盲人導(dǎo)航儀的主要功能是為盲人指引行進(jìn)的路線，其可以進(jìn)行壁障、定位和語音交流。制定了導(dǎo)航儀的總體方案，要設(shè)計一款方便盲人使用的智能盲人導(dǎo)航儀，需先設(shè)計智能盲人導(dǎo)航儀的硬件模塊，再進(jìn)行導(dǎo)航儀的殼體設(shè)計和部位選擇，并且確定了智能盲人導(dǎo)航儀系統(tǒng)的組成和使用方法。系統(tǒng)總體組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

針對智能盲人系統(tǒng)的控制要求，根據(jù)對導(dǎo)航儀系統(tǒng)進(jìn)行的分析，確定硬件系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點在于對整個導(dǎo)航儀系統(tǒng)的各個參數(shù)采取相應(yīng)的采集與處理，可使用的硬件設(shè)計原理方法主要包括：1)對障礙物的檢測，采用3組超聲波傳感器對周圍的障礙物進(jìn)行檢測；2)對盲人地理位置的確定，采用全球定位系統(tǒng)GPS、NEO-6MGPS芯片及157 MHz天線確定盲人的位置以及盲人所到目的地的精確位置；3)對語音識別模塊的應(yīng)用，采用LD3320 語音識別芯片電路對盲人的信息進(jìn)行識別并發(fā)出盲人行進(jìn)路線的信息；4)對故障的處理，壁障檢測應(yīng)用了HC-SR04超聲波和高壓KT40-1602超聲波，2種超聲波可以交替使用[3-5]。

2.1 微控制器模塊設(shè)計

STM32F103是高性能的IEEE802.15.4無線片上系統(tǒng)(soc)，集成了2.4 GHz IEEE802.15.4兼容的收發(fā)器、32位ARMCortex-M3微處理器、128 kB閃存和8 kB RAM存儲器以及基于EEPROM系統(tǒng)的外設(shè)。收發(fā)器有極好的RF功能，正常模式鏈接高達(dá)102 dB，RX靈敏度為-99 dBm，正常模式輸出功率為+3 dBm。該模塊主要用于智能電表、自動化控制和安全監(jiān)視等領(lǐng)域。

2.2 語音模塊設(shè)計

語音識別(ASR)技術(shù)是基于關(guān)鍵詞語列表識別的技術(shù)，只需要設(shè)定好要識別的關(guān)鍵詞語列表，并把這些關(guān)鍵詞語以字符的形式傳送到LD3320芯片內(nèi)部，就可以對用戶說出的關(guān)鍵詞語進(jìn)行識別，不需要用戶做任何錄音訓(xùn)練，LD3320芯片是一款語音識別專用芯片。采用ICRoute公司的高性能語音識別芯片和相關(guān)控制電路，可以滿足盲人導(dǎo)航的語音控制輸入要求。由于芯片集成了語音識別處理器和外部電路(包括語音輸入和轉(zhuǎn)換器麥克風(fēng)聲音輸出等接口)，且不需要外接任何的輔助芯片，如 Flash和RAM 等,直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中即可實現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話功能。另外，識別的關(guān)鍵詞語列表是可以任意動態(tài)編輯的，滿足了小體積、低功耗和可通用的要求，因此本聲控系統(tǒng)可以應(yīng)用于盲人導(dǎo)航語音輸入。

2.3 GPS定位導(dǎo)航模塊設(shè)計

GPS定位的基本原理是將高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法確定待測點的位置。GPS模塊硬件設(shè)計時，通常將GPS模塊的串口1與單片機(jī)的串口相連接，模塊與天線的連接可以加一級前置放大器。天線可選用東芝天線，也可以專門定制。電源采用4節(jié)堿性電池，易于更換。ATK-NEO-6M-V12(V12是版本號，下面均以ATK-NEO-6M 表示該產(chǎn)品)是一款高性能GPS定位模塊，該模塊采用U-BLOX NEO-6M模組，模塊自帶高性能無源陶瓷天線，并自帶可充電后備電池(以支持溫起動或熱起動，后備電池在主電源斷電后可以維持0.5 h左右的GPS接收數(shù)據(jù)保存)。模塊通過串口與外部系統(tǒng)連接，串口波特率支持4 800、9 600、38 400(默認(rèn))和57 600等不同速率，兼容5V/3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以非常方便地與盲人導(dǎo)航儀進(jìn)行連接。ATK-NEO-6M模塊非常小巧(25.5 mm×31 mm)，通過 4個2.54 mm 間距的排針與外部連接。

2.4 避障模塊設(shè)計

超聲波模塊中選用了2種模塊，即HC-SR04以及雷達(dá)探頭KT40-1602，其中，HC-SR04是普通的超聲波，KT40-1602是高壓超聲波。

HC-SR04超聲波測距模塊可實現(xiàn)2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達(dá)3 mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，基本工作原理包括：1)采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，給最少10 μs的高電平信號；2) 模塊自動發(fā)送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3) 有信號返回，通過I/O口ECHO輸出1個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=(高電平時間×聲速(340 m/s))/2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了滿足盲人導(dǎo)航的要求，系統(tǒng)應(yīng)該具有的功能包括避障、語音識別功能GPS串口數(shù)據(jù)接收處理。定位信息的采集處理使用STM32串口進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，超聲波避障運(yùn)用發(fā)波信號與回波信號時間差計算障礙距離。語音模塊LD3320的通信方式為SPI。針對上述問題對系統(tǒng)進(jìn)行了修改，以排除外部雜音等的干擾。系統(tǒng)添加外部中斷按鍵，當(dāng)按鍵按下時即進(jìn)入外部中斷，設(shè)置中斷標(biāo)志位，標(biāo)志位賦值1，此時進(jìn)入語音識別程序關(guān)閉定時器，執(zhí)行完成時標(biāo)志位清零，開啟定時器。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)具有外部中斷，消除了外部雜音的干擾，滿足了語音識別的可靠性要求，既不影響超聲波避障的進(jìn)行，又保證了語音識別處理的順利完成。分析結(jié)果表明該方案可行。

4 總語

本文所設(shè)計的智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計的基本要求，實現(xiàn)了盲人導(dǎo)航系統(tǒng)智能導(dǎo)航的效果，硬件和軟件設(shè)計均采用模塊化的方法，設(shè)計中涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的各個方面。

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[5] 翁桂榮. 單片微型計算機(jī)接口技術(shù)[M]. 蘇州: 蘇州大學(xué)出版社，2002.

*陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃資助項目(1336)

責(zé)任編輯李思文

DesignandRealizationoftheIntelligentBlindNavigation

CHEN Zhongxiao, NI Zhen, WANG Yijun, QIN Xiao, ZHANG Fang

(Department of Electronics and Information Engineering, Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

The paper developed an intelligent navigation for the blind. The blind can simply do voice communication with navigator, navigator can to locate the blind and cross the walls, so realize a safe destination for the blind. With the development of single chip processor as the core of the application of micro control unit and single-chip computer technology matures, cheap single chip microcomputer can offer many new help for the blind. Taking STM32 chip as the core, the paper put forward a ultrasonic ranging module walls (KT40-1602), a voice module (LD3320) communications, GPS navigation module of new intelligent navigation system for the blind. Its advantage is that it not only has the current navigation equipment generally the function of the sensor, and also has the function of speech recognition and voice navigation. These features made it become more close to the life of the blind, which has a long-term significance. Intelligent navigation can let the blind man across their fear of the small step.

MCU, navigation, blind, voice recognition, counterguard

V 249

：B

陳忠孝(1963-)，男，自動化系主任，主要從事變配電系統(tǒng)和建筑電氣工程設(shè)計，生產(chǎn)過程自動化、智能化以及智能化儀表等方面的研究。

2014-07-24