多功能智能導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

古 訓(xùn)，張仁興

(貴陽學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

多功能智能導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

古 訓(xùn)，張仁興

(貴陽學(xué)院 電子與通信工程學(xué)院，貴州 貴陽 550005)

導(dǎo)盲手杖主要用于幫助視覺有障礙的人解決行動(dòng)不便問題，具有成本低、使用方便等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲手杖，采用Arduino Mega 2560單片機(jī)作為主控芯片，具有GPS定位、短信發(fā)送、遇障報(bào)警、夜間警示行人等功能。并且各模塊間體積較小，便于安裝與投產(chǎn)，具有一定的使用價(jià)值。

Arduino單片機(jī)；導(dǎo)盲手杖；GPS

1 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品越來越貼近人們的生活。智能車、智能機(jī)器人等行動(dòng)輔具普遍存在，各具特點(diǎn)。在國外，技術(shù)較為發(fā)達(dá)，對(duì)行動(dòng)輔具的研究取得較大進(jìn)展，如日本山梨大學(xué)所設(shè)計(jì)的智能手推車在移動(dòng)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)周圍的環(huán)境，對(duì)交通指示燈、人行道斑馬線均有提示功能，能夠正確引導(dǎo)盲人穿過馬路[1]。在國內(nèi)，導(dǎo)盲杖方面的研究也取得了一定的進(jìn)展，如北京理工大學(xué)研發(fā)的“導(dǎo)盲手杖”，通過超聲波檢測(cè)障礙物，語音芯片告知盲人，從而實(shí)現(xiàn)避障功能[2]。

以上行動(dòng)輔具，雖然功能完備，但是體積大，價(jià)格昂貴，難以推廣使用。隨著盲人數(shù)量的增加，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉，使用方便，便于推廣的多功能智能導(dǎo)盲手杖是非常有必要的。本文中設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲手杖具有遇障報(bào)警、位置定位發(fā)送、LED警示等功能，體積小且成本低廉，便于投入研究與應(yīng)用。

2 主要硬件簡介

2.1 Arduino 單片機(jī)

Arduino單片機(jī)是一款基于Atmel AVR微處理器的開源開發(fā)板[3]。它具有體積小、易擴(kuò)展等特點(diǎn)。其中，Arduino Mega 2560有四對(duì)串行數(shù)據(jù)通信口，豐富的I/O接口，6個(gè)外部中斷源，滿足本次設(shè)計(jì)的要求。如圖1所示。

圖1 Arduino Mega 2560單片機(jī)Fig.1 Arduino Mega 2560 Micro-controller

GPS是Global Positioning System的英文簡寫，即全球定位系統(tǒng)。目前廣泛應(yīng)用于防盜、行駛路線監(jiān)控、車輛定位等場(chǎng)合，具有檢測(cè)時(shí)間短、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用的是由U-blox公司在2012年推出的NEO-6M GPS，如圖2所示。NEO-6M GPS的主要特點(diǎn)如表1所示。

圖2 NEO-6M GPS模塊Fig.2 NEO-6M GPS module

主要特點(diǎn)相關(guān)說明優(yōu)點(diǎn)體積小,功耗低通信方式串口通信(UART)控制協(xié)議UBX協(xié)議通信協(xié)議MYMGPGGA、MYMGPRMC、MYMGPGLL時(shí)間格式格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間(UTC)

2.3 SIM900A簡介

SIM900A無線通信模塊主要用來實(shí)現(xiàn)發(fā)短信、打電話功能，采用串口(UART)AT指令與單片機(jī)進(jìn)行通信。本實(shí)驗(yàn)主要用來發(fā)送由GPS獲取的位置信息給設(shè)定的手機(jī)。實(shí)物如圖3所示，使用指令如表2所示。

圖3 SIM900A模塊實(shí)物圖Fig.3 SIM900A module

指令功能AT+CMGF=1設(shè)置短信文本模式AT+CMGS=”+861879882XXXX” 發(fā)送短信給“1879882XXXX”AT+CMGD=1刪除一條短信

2.4 HC-SR04超聲波傳感器

超聲波測(cè)距模塊通過測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間差，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的距離[4]。該模塊廣泛應(yīng)用于測(cè)距避障、倒車提醒等場(chǎng)合，應(yīng)用精度在厘米級(jí)范圍。本實(shí)驗(yàn)采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊和蜂鳴器配合使用，實(shí)現(xiàn)在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)遇障報(bào)警作用，提醒盲人小心行走。實(shí)物如圖4所示，引腳說明如表3所示。

圖4 HC-SR04超聲波測(cè)距模塊Fig.4 HC-SR04 module

引腳引腳說明VCC接電源(5V)Trig觸發(fā)控制信號(hào)輸入Echo回響信號(hào)輸入GND接地端(共地端)

3 軟件設(shè)計(jì)

在本次實(shí)驗(yàn)中，共采用GPS，SIM900A，超聲波，蜂鳴器，光敏5個(gè)模塊，其各個(gè)模塊功能如下：

(1)U-Blox GPS模塊，獲取盲人所行走的位置信息；

我國貫徹依法治國的方針，在發(fā)展過程中，要有法律的約束，只有這樣才能夠確保發(fā)展過程的安全性、明確性以及清晰性。所以在林業(yè)保護(hù)與天然林保護(hù)中，相關(guān)的政府部門一方面要加大對(duì)生態(tài)保護(hù)的投入力度，為生態(tài)保護(hù)工作提供充實(shí)的后備力量，引進(jìn)品質(zhì)優(yōu)良的樹種，擴(kuò)大種植的面積，優(yōu)化種植地土壤，提高土地營養(yǎng)成分的含量，從而進(jìn)一步提高森林的質(zhì)量，為生態(tài)保護(hù)工作作出貢獻(xiàn)[1]。另一方面，相關(guān)的政府部門要建立完善的法律法規(guī)，約束人們的行為習(xí)慣，讓人們依照法律法規(guī)的要求進(jìn)行活動(dòng)，從而有效改善生態(tài)環(huán)境。

(2)SIM900A模塊，盲人在出行中迷失方向時(shí)，按下導(dǎo)盲手杖上的按鍵，將GPS獲取的位置信息發(fā)送到指定家人手機(jī)號(hào)碼的手機(jī)上；

(3)HC-SR04超聲波測(cè)距、蜂鳴器模塊，檢測(cè)盲人前方是否有障礙物，并通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警提示；

(4)光敏電阻傳感器模塊，檢測(cè)周圍環(huán)境光線亮度(能檢測(cè)的光線亮度可以通過調(diào)節(jié)模塊上的電位器實(shí)現(xiàn))。當(dāng)光線較暗時(shí)，LED燈發(fā)光，起到提示行人的作用，以免發(fā)生碰撞。

整個(gè)系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

其部分程序代碼如下：

voidsetup(){ //程序初始化塊

Module_Init(); //程序各模塊初始化總函數(shù)}

voidloop(){ //主程序塊

SIM900A_sending(); //發(fā)送短信的代碼

Get_ultrasonic();//超聲波距離測(cè)量

Dis_buzzer();//超聲波報(bào)警

LED_view();//LED狀態(tài)顯示}

4 總體設(shè)計(jì)及調(diào)試

為了方便在設(shè)計(jì)過程中對(duì)電路進(jìn)行修改和編寫程序，本實(shí)驗(yàn)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，如圖6所示。其中Arduino Mega 2560單片機(jī)為主控單元，整個(gè)系統(tǒng)包括SIM900A模塊、GPS定位模塊、超聲波測(cè)距、蜂鳴器報(bào)警、發(fā)光二極管等。通過各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲手杖的位置定位、短信告知家人、蜂鳴器報(bào)警、LED燈警示行人等功能。

圖6 導(dǎo)盲手杖總體設(shè)計(jì)框圖Fig.6 The block diagram of Seeing-eye cane

4.1 GPS模塊及短信通知功能調(diào)試分析

為避免外出的盲人走失，采用GPS對(duì)外出盲人的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，當(dāng)盲人發(fā)現(xiàn)自己走丟時(shí)，按下手杖上的按鍵，即可把位置信息通過SIM900A無線模塊發(fā)送到家人的手機(jī)上，便于家人快速找到自己。其實(shí)物接線如圖7所示。

同時(shí)，GPS獲取位置信息功能的調(diào)試結(jié)果可以通過Arduino IDE的串口監(jiān)視窗口看到，如圖8所示。

為了確保GPS獲取的位置信息的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，通過上網(wǎng)查閱測(cè)量地點(diǎn)的位置信息與其作對(duì)比分析，其結(jié)果如表4所示。

圖7 Arduino單片機(jī)與GPS、SIM900A的實(shí)物接線圖Fig.7 The writing diagram among Arudino , GPS and SIM900A

圖8 GPS的調(diào)試結(jié)果Fig.8 The debugging results of GPS

被測(cè)地點(diǎn)經(jīng)緯度被測(cè)地點(diǎn)地址實(shí)測(cè)經(jīng)緯度實(shí)測(cè)地址E:106.787006,H:26.564032貴陽學(xué)院博技樓E:106.787118,H:26.564121貴陽學(xué)院博技樓附近E:106.781288,H:26.562704貴陽學(xué)院辦公樓E:106.781208,H:26.562504貴陽學(xué)院辦公樓附近E:106.782723,H:26.562557貴陽學(xué)院陽明廣場(chǎng)E:106.782723,H:26.562528貴陽學(xué)院陽明廣場(chǎng)附近E:106.773083,H:26.558837貴陽市市委黨校E:106.773382,H:26.558957貴陽市市委黨校附近

從表4看出，雖然GPS獲取的位置信息和百度查詢的坐標(biāo)信息有差別，但誤差在其允許范圍內(nèi)，滿足智能手杖定位的需要。

隨后，對(duì)手杖的位置信息發(fā)送功能進(jìn)行測(cè)試。啟動(dòng)相應(yīng)電源后，等待GPS上閃爍的指示燈由快變慢(大約為2秒閃一次，說明GPS已經(jīng)開始工作)，此時(shí)按下手杖上的按鍵，等待5秒左右，可以看到指定手機(jī)短信上有具體的位置信息。如圖9所示。此時(shí)說明手杖的位置信息定位發(fā)送功能已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)。

圖9 GPS獲取的位置信息通過 SIM900A模塊發(fā)送到手機(jī)上Fig.9 The location message got from the SIM900A module

4.2 超聲波測(cè)距與蜂鳴器報(bào)警功能的調(diào)試分析

導(dǎo)盲手杖作為盲人的行動(dòng)輔具，正確判斷障礙物情況是非常重要的。本次設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距模塊和無源蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)遇障報(bào)警功能。其實(shí)物接線如圖10所示。

圖10 Arduino單片機(jī)與超聲波、蜂鳴器的接線實(shí)物圖Fig.10 The writing diagram among Arudino, HC-SR04 and buzzer

根據(jù)實(shí)際情況，給蜂鳴器報(bào)警距離設(shè)定閾值(此處設(shè)定的是40cm)。當(dāng)超聲波測(cè)量到前方障礙物的距離小于閾值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，提醒使用者注意前方有障礙物，避免與障礙物相撞。表5對(duì)超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性作了相應(yīng)的測(cè)試。

表5 距離對(duì)超聲波測(cè)距與蜂鳴器報(bào)警的影響Tab.5 The affection of ultrasonic and buzzer for distance

另一方面，考慮到使用過程中手杖為非垂直測(cè)量，對(duì)超聲波模塊測(cè)量角度進(jìn)行了檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果如表6所示。

表6 角度對(duì)超聲波測(cè)距與蜂鳴器報(bào)警的影響Tab.6 The affection of ultrasonic and buzzer for angle

表5可以看出，超聲波所測(cè)的實(shí)際距離雖然在范圍上有點(diǎn)誤差，但是誤差相對(duì)較小，并不會(huì)影響蜂鳴器工作，可以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的基本要求。表6可以看出，當(dāng)角度在45-90度之間時(shí)反應(yīng)靈敏，誤差也都在允許范圍之內(nèi);當(dāng)角度在45度以下時(shí)，反應(yīng)時(shí)間較長，當(dāng)然在穩(wěn)定狀態(tài)下也可以達(dá)到要求。但距離變動(dòng)的幅度相對(duì)比較大，有時(shí)候會(huì)使蜂鳴器報(bào)警產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。

4.3 導(dǎo)盲手杖的總體功能測(cè)試及分析

經(jīng)過前面的調(diào)試，確保各硬件的基本功能都能實(shí)現(xiàn)后，將其組裝。如圖11,圖12所示。

圖11 導(dǎo)盲手杖整體組裝實(shí)物圖 圖12 導(dǎo)盲手杖整體組裝的引腳接線圖Fig.11 The assembly picture of the seeing-eye cane Fig.12 The writing diagram of the seeing-eye cane

5 總結(jié)與展望

本文自主設(shè)計(jì)一種低成本的智能手杖。該手杖含有位置信息定位并發(fā)送、超聲波測(cè)距自動(dòng)報(bào)警、LED警示燈等基本功能。實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果顯示，基于Arduino單片機(jī)的智能手杖較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能，同時(shí)也為后期功能的完善以及實(shí)用性驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。

[1] 尚琳琳.盲人助行產(chǎn)品的無障礙設(shè)計(jì)研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2012.

[2] 方仁杰.基于GPS定位與超聲波導(dǎo)盲拐杖的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011,19(5):1154-1157.

[3] 程晨著.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南AVR篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2012.

[4]康凌.基于Arduino的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2013(20):140-140.

Design and implementation of multi-functional intelligent guide a walking stick

Gu-xun,Zhang-Ren xing

(Guiyang college electronic and communication engineering institute,Guizhou Guiyang 550005,China)

Seeing-eye cane is mainly used to help visually impaired people to solve mobility problems, it has the characteristics of low cost, easy to use. In this paper,the seeing-eye cane based on the Arduino Mega 2560 is designed. It has the function of positioning by GPS, SMS, Obstacle alarming, warning pedestrians at night and so on. The modules involved are small, which is convenient for putting into production. It has a certain use value.

Arduino microcontroller; seeing-eye cane; GPS

2016-09-03

古 訓(xùn)(1988-)，男，河南開封人，講師、碩士。主要研究方向：無人直升機(jī)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 張仁興(1994-)，男，貴州安龍人,本科學(xué)生。主要研究方向：通信工程。

TN967.1

A

1673-6125(2016)04-0040-06