智能盲人拐杖的研究與設(shè)計(jì)

姚旭禹　湯莉莉　黃思嘉　周移　王贊　阮紅玲　王金勇　汪立東

摘 要：該設(shè)計(jì)研究的目的是通過超聲波傳感器發(fā)送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產(chǎn)生高電平時(shí)間計(jì)算出前方障礙物的距離，同時(shí)驅(qū)動(dòng)熱釋電紅外傳感器判斷障礙物是人還是物體，經(jīng)過MCU處理后，通過SPI總線驅(qū)動(dòng)ISD4004芯片將錄好的指定語音播放出去。該設(shè)計(jì)還可以通過GPS模塊實(shí)時(shí)定位，使用矩陣鍵盤設(shè)定號(hào)碼，將定位的坐標(biāo)通過MCU驅(qū)動(dòng)GSM/GPRS模塊以短信為載體發(fā)送到設(shè)定號(hào)碼的手機(jī)上，并且遇到障礙物時(shí)可以實(shí)現(xiàn)通過語音提示盲人避開障礙。本項(xiàng)目所研究的范圍涉及人體紅外的采集與檢測，超聲波信號(hào)的采集，STM32的程序編寫，矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)，GPS接收信息的處理，以及使用AT指令驅(qū)動(dòng)GSM模塊，在電路設(shè)計(jì)上采用創(chuàng)新節(jié)能的設(shè)計(jì)；在硬件組合上采用模塊化的設(shè)計(jì)；在軟件編程上采用嵌套調(diào)用的編程方案，最終實(shí)現(xiàn)盲人避障且可發(fā)送經(jīng)緯度坐標(biāo)求助的功能。

關(guān)鍵詞：紅外熱釋電傳感器 超聲波 語音 GPS 求救短信

中圖分類號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0061-02

Intelligent Blind Cane Research and Design

Yao Xuyu Tang Lili* Huang Sijia Zhou Yi Wang Zan Ruan Hongling Wang Jinyong Wang Lidong

（Department of Computer & Information Engineering，Zhixing College of Hubei University，Wuhan Hubei，430011，China）

Abstract：When the purpose of the product design， the study by sending an ultrasonic ultrasonic sensor， and reads the chip ultrasonic echo module generates high time to calculate the distance in front of the obstacle，while driving pyroelectric infrared sensor determines obstacle：Summary people or objects， after MCU processing， through the SPI bus driver ISD4004 chip will record a good player out of the specified voice.This product can also be real-time location through GPS module，using a matrix keyboard to set the number， the coordinates of the location through the MCU drive GSM/GPRS module carrier SMS sent to the phone number set，and an obstacle can be achieved through voice Tip blind avoid obstacles.The scope of the project involves the study of the collection and testing of human infrared，ultrasonic signal acquisition，STM32s programming，matrix keyboard design， processing GPS receiving information，and the use of GSM module AT command-driven，in the circuit design using innovative energy-saving design；the use of the combination of modular hardware design；programming scheme using nested calls in the software program， and ultimately blind obstacle avoidance and latitude and longitude coordinates for help function can be sent.

Key Words：Pyroelectric infrared sensor；Ultrasonic；Voice；GPS；Distress message

盲人是社會(huì)中的一個(gè)特殊群體，他們不能用眼睛去體驗(yàn)這個(gè)世界的美好，并且在生活中有諸多的不便。隨著科技的日新月異，人們的生活也越來越智能化，智能冰箱，智能空調(diào)，智能洗衣機(jī)，甚至是家用機(jī)器人管家，這些智能化的物品，減少了手動(dòng)設(shè)置的要求，并且多了語音提示，語音操控，自動(dòng)感應(yīng)等功能，使得盲人的生活更加便利。

智能盲人拐杖以超聲波傳感器[1]與熱釋電紅外傳感器[2]為主要探測儀器，使用ISD4004語音錄放芯片存儲(chǔ)指定語音，使用GPS模塊定位當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，并可以驅(qū)動(dòng)GSM/GPRS模塊將包含坐標(biāo)信息的短信發(fā)送出去。當(dāng)拐杖前方有障礙物時(shí)，超聲波模塊探測障礙物和拐杖之間的距離，MCU判斷當(dāng)前距離是否應(yīng)該發(fā)出提示音，當(dāng)障礙物的距離達(dá)到提示值時(shí)，使用熱釋電紅外傳感器判斷障礙物是否是人，判斷并發(fā)出合適的提示音[3]。當(dāng)盲人在外出時(shí)遇到突發(fā)狀況時(shí)，可以一鍵獲取當(dāng)前位置的經(jīng)緯度，將信息發(fā)送給指定的聯(lián)系人，指定的聯(lián)系人可以使用可拆卸式的矩陣鍵盤設(shè)定。

1 總體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

我們所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)是由超聲波模塊，熱釋電紅外傳感器模塊，ISD4004語音錄放模塊，開關(guān)及矩陣鍵盤模塊，GPS模塊，GSM/GPRS模塊，STM32系統(tǒng)板模塊[4]，電源轉(zhuǎn)換模塊等構(gòu)成（見圖1）。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖2所示，具體流程如下：首先，接通電源，系統(tǒng)開始工作，超聲波模塊，熱釋電傳感器模塊，GPS模塊，GSM/GPRS模塊[5]，ISD4004語音模塊，聯(lián)系人號(hào)碼進(jìn)行初始化，系統(tǒng)開始判斷用戶是否需要一件發(fā)送求救短信，若需要?jiǎng)t開始讀取GPS的原始數(shù)據(jù)，使用處理函數(shù)將原始數(shù)據(jù)處理成需要的經(jīng)緯度后使用GSM/GPRS模塊發(fā)送短信，發(fā)送短信成功后看門狗定時(shí)器停止喂狗，系統(tǒng)復(fù)位，不需要?jiǎng)t進(jìn)行探測障礙物的操作。當(dāng)判斷到前方有障礙物并且障礙物距離人的距離達(dá)到提示值時(shí)，啟動(dòng)熱釋電傳感器開始判斷障礙物是否是人，得到結(jié)果后播放ISD4004芯片內(nèi)指定地址的語音來提示盲人，語音播放完成后，繼續(xù)檢測是否需要發(fā)求救短信和探測障礙。

3 方案難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

方案難點(diǎn)有：

（1）熱釋電傳感器信號(hào)輸出不太穩(wěn)定，需要相應(yīng)的算法調(diào)節(jié)。

（2）將超聲波模塊的信號(hào)進(jìn)行處理使得探測值更加準(zhǔn)確。

（3）將GPS的原始數(shù)據(jù)處理出相應(yīng)的坐標(biāo)。

（4）合適的語音提示使得盲人能準(zhǔn)確避障。

關(guān)鍵技術(shù)有：

（1）探測結(jié)果的算法處理。

（2）GPS的信號(hào)處理。

（3）熱釋電紅外傳感器對紅外信號(hào)的處理方法，同時(shí)可以設(shè)定感應(yīng)的距離。

（4）使用AT指令控制GSM/GPRS模塊發(fā)送短信。

（5）語音芯片播放聲音的實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的測試結(jié)果分析

結(jié)果分析如下：

（1）拐杖能夠靈敏的探測到前方障礙，并且語音提示使得盲人能夠避障。

（2）能夠用可拆卸式的矩陣鍵盤設(shè)定聯(lián)系人號(hào)碼。

（3）能通過在室外環(huán)境下開啟GPS模塊，得到具體是經(jīng)緯度信息。

（4）GPS模塊得到經(jīng)緯度信號(hào)后，可以通過GSM/GPRS模塊將含有經(jīng)緯度信息的短信發(fā)送到指定人的手機(jī)。

5 結(jié)語

該智能拐杖使得盲人特別是老年盲人的生活提供便利，省去了老年盲人既要使用盲杖又要使用拐杖的麻煩，使用兩個(gè)探測傳感器能有效探測到前方障礙物，通過語音提示使使用者準(zhǔn)確避障。當(dāng)使用者在外出遇到突發(fā)狀況如迷路或遇到危險(xiǎn)時(shí)，可以一鍵發(fā)送求救短信。指定聯(lián)系人收到含有求救者的經(jīng)緯度短信后，可以使用電腦或手機(jī)在網(wǎng)上輸入經(jīng)緯度，即可獲取求救者所在位置的具體地圖。

在科技日星月異的今天，智能拐杖的出現(xiàn)可以為盲人這個(gè)群體帶來許多便利，并且具有很大的實(shí)用價(jià)值和市場前景。

參考文獻(xiàn)

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[3] 王自強(qiáng)，楊景常.基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004（S1）：72-74，90.

[4] 楊光祥.STM32單片機(jī)原理與工程實(shí)踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[5] 趙琳.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.