基于GPS的智能導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)

賈道杰++張銳++賈道春

摘 要：文章設(shè)計(jì)了便于老人、盲人、智障人士等特殊群體出行使用，便于家人監(jiān)護(hù)和尋找的一種多功能智能導(dǎo)盲拐杖。系統(tǒng)以STC系列單片機(jī)為主要控制中心，采用超聲波傳感器檢測(cè)4米內(nèi)的障礙物，并通過(guò)舵機(jī)來(lái)控制測(cè)距的角度，使之可以實(shí)現(xiàn)多方向測(cè)距；采用語(yǔ)音和震動(dòng)兩種方式來(lái)提示使用者及時(shí)躲避障礙物；另外，在系統(tǒng)中加入GPS模塊，能確保監(jiān)護(hù)人在使用者遇到突發(fā)狀況的第一時(shí)間知曉使用者所處的位置，對(duì)特殊人群的出行提供切實(shí)有效的幫助。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能；拐杖；GPS

中圖分類號(hào)：U666.12+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）24-0006-03

我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，盲人、老人等特殊群體數(shù)量尤為龐大。伴隨著社會(huì)文明的不斷發(fā)展，老人、盲人、智障人士等群體的一些特殊需求也贏得全社會(huì)的廣泛關(guān)注。目前，市場(chǎng)上導(dǎo)盲拐杖的需求越來(lái)越多，它不僅適合盲人也適用于年邁的老人或者其他特殊人群。現(xiàn)如今，國(guó)內(nèi)外已有許多盲人在使用導(dǎo)盲犬進(jìn)行外出引路，但培訓(xùn)導(dǎo)盲犬有著難度大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高等一系列問(wèn)題[1]。同時(shí)普通的拐杖仍存在著諸如：迷路時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確定位， 家人很難尋找等問(wèn)題。本文中充分結(jié)合電力電子技術(shù)、通訊技術(shù)以及相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款基于GPRS的智能導(dǎo)盲拐杖系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)盲拐杖的使用者一般有著動(dòng)作緩慢、應(yīng)急能力差等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)整個(gè)導(dǎo)盲拐杖時(shí)應(yīng)追求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于操作，便于隨身攜帶等優(yōu)勢(shì)。智能導(dǎo)盲拐杖總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

系統(tǒng)中硬件電路主要包括超聲波測(cè)距模塊、GPRS/GPS定位模塊、警示燈和語(yǔ)言錄放模塊等；軟件部分包括處理GPS信號(hào)、發(fā)送GPS坐標(biāo)以及超聲波測(cè)距等功能程序。

2 GPS定位模塊

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用包括GPRS 模塊，STC系列單片機(jī)，GPS定位模塊，適合于利用單片機(jī)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、智能家居、遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)、短信群發(fā)系統(tǒng)以及GPS跟蹤定位防盜等。

GPS定位系統(tǒng)主要有三部分組成：GPS空間部分、地基監(jiān)控站部分和GPS用戶接收機(jī)部分[2]。本文中設(shè)計(jì)使用的GPS定位模塊為u-blox公司的NEO-5Q主芯片，該型號(hào)芯片采用ROM為基礎(chǔ)架構(gòu)，具有成本低，體積小的特點(diǎn)，符合眾多應(yīng)用系統(tǒng)。GPS定位模塊的電路圖，如圖2所示，其中，20引腳外接TXD1，發(fā)送GPS數(shù)據(jù)信息；21引腳外接RXD1，接收GPS數(shù)據(jù)信息。另外該型號(hào)芯片采用最新的KickStart微弱信號(hào)攫取技術(shù)，能確保采用此模組的設(shè)備具有最佳的初始定位性能并進(jìn)行快速定位的優(yōu)點(diǎn)[3]。

3 語(yǔ)音錄放模塊

ISD1420是美國(guó)ISD公司出品的新型單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放芯片，該芯片具有地址模式和操作模式兩種模式。語(yǔ)言錄放電路，如圖3所示，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，錄音功能和播放功能采用同一個(gè)電路，因此需要修改地址線的位置和PLAYE的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。

錄音時(shí)，A0-A7引腳接實(shí)驗(yàn)箱的開(kāi)關(guān)口，作為錄音地址，REC引腳接按鍵作為錄音按鈕。錄音時(shí)一直保持低電平，PLAYE引腳接按鍵作為放音按鈕，14與15引腳之間外接一個(gè)播音喇叭。放音時(shí)，A0-A7接單片機(jī)的P2口作為地址輸入，PLAYE引腳接單片機(jī)的P1.5作為放音觸發(fā)端。

4 超聲波測(cè)距模塊

對(duì)于盲人而言，如何及時(shí)的躲避掉道路前面的路障顯得尤為重要。正常成年人的行走速度為1.5 m/s，反應(yīng)時(shí)間為0.15 ～0.4 s，按照人的最慢反應(yīng)時(shí)間來(lái)算，從人感知到前方障礙物到停止前進(jìn)，依然還要行進(jìn)0.6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設(shè)定障礙物探測(cè)距離為1 m[4]。

超聲波測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路3個(gè)組成部分。系統(tǒng)采用HC-SR04型號(hào)芯片，該芯片測(cè)距精度可高達(dá)3 mm，可提供2 ～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能[5-7]。超聲波傳感器的時(shí)序圖，如圖4所示。

時(shí)序圖表明單片機(jī)提供一個(gè)10 us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將循環(huán)發(fā)出8個(gè)40 kHz脈沖電平并檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)[5]?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比，由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔計(jì)算所測(cè)距離。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，測(cè)量周期設(shè)為60 ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響[6-8]。測(cè)量距離公式如下：

X=■（1）

式中，X為測(cè)量距離，T為高電平時(shí)間，V為聲速；

根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，超聲波傳感器測(cè)量距離與實(shí)際測(cè)量的距離的比較，見(jiàn)表1。

超聲波測(cè)距模塊，如圖5所示，VCC引腳外接5 V電源，GND 接地，TRIG為觸發(fā)信號(hào)輸入，ECHO為回響信號(hào)模塊輸出。在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中使用三個(gè)超聲波傳感器，可分別測(cè)量三個(gè)方向上障礙物的距離，六個(gè)引腳分別接在P1.0～P1.5口。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文中拐杖的智能導(dǎo)盲功能需要實(shí)時(shí)的測(cè)量出距離障礙物的距離，系統(tǒng)中單片機(jī)通過(guò)控制超聲波傳感器得到障礙物距離拐杖的距離，并在數(shù)碼管上面顯示。單片機(jī)分析該距離，若距離小于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)語(yǔ)言錄放模塊發(fā)出語(yǔ)音警報(bào)。當(dāng)遇到特殊情況時(shí)，使用者按下按鈕。單片機(jī)檢測(cè)到外部有按鈕按下時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷，此時(shí)開(kāi)啟GPS定位模塊并及時(shí)發(fā)送求救信息。

在本系統(tǒng)中測(cè)距功能主要是通過(guò)測(cè)距子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別測(cè)量三個(gè)方向上的障礙物距離，及時(shí)做出相應(yīng)的操作提示，超聲波測(cè)距程序框圖，如圖6所示。

在測(cè)距子程序中，變量i定義為測(cè)距4 m時(shí)所需要的時(shí)間，防止障礙物距離大于4 m，超聲波無(wú)法檢測(cè)時(shí)進(jìn)入死循環(huán)。首先拉低脈沖輸入引腳，對(duì)定時(shí)器進(jìn)行初始化。然后給脈沖輸入端一個(gè)大于10 us的脈沖信號(hào)，觸發(fā)超聲波測(cè)距模塊工作，等待回波信號(hào)，并對(duì)i減法計(jì)數(shù)。若有回波信號(hào)，并且i的值還大于0，說(shuō)明前方4米之內(nèi)有障礙物。開(kāi)啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，直到回波信號(hào)變成低電平，關(guān)閉定時(shí)器，取出定時(shí)器的值[10]。通過(guò)公式（1），計(jì)算得出此時(shí)障礙物與使用者之間的距離，將此數(shù)值返回主程序。

6 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合以上思路，設(shè)計(jì)制作出智能導(dǎo)盲拐杖的樣品。本文是基于GPS的智能導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)，并采用GSM模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通訊，具有切實(shí)可行的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值，系統(tǒng)概括起來(lái)具有如下特點(diǎn)：

①實(shí)現(xiàn)多方向自動(dòng)測(cè)距和障礙物提示，操作方便，在嘈雜的環(huán)境中還可通過(guò)振動(dòng)來(lái)提示使用者注意避障。

②添加了時(shí)鐘，能整點(diǎn)報(bào)時(shí)，使用者可以隨時(shí)掌握時(shí)間。

③到突發(fā)情況時(shí)，可及時(shí)定位并發(fā)送求救信息。

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