基于STM32的智能導盲拐杖

秦凡++張善文++趙寶輝++王祖良

摘 要：目前，由于市場上的導盲拐杖功能比較單一，無法滿足盲人的需要。針對這一問題，文中設計了一種基于STM32的智能導盲拐杖。該款產(chǎn)品以STM32為主控制器，具有語音提示、進行時間播報、發(fā)出警告、超聲波避障、GPS定位及角度測量防摔功能，可實時觀測盲人的具體位置，防止其走丟。

關鍵詞：避障；GPS定位；導盲拐杖；STM32

中圖分類號：TP216 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-02

0 引 言

目前，市場上的導盲拐杖功能單一，無法滿足盲人的需求。盲人外出時會遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況，或者因為監(jiān)護人不在而走丟等。因此，本文利用現(xiàn)代已有技術，研究出一種新型導盲系統(tǒng)，通過軟硬件結合，實現(xiàn)障礙物避障功能，語音提示功能，語音報時功能，角度測量防摔功能以及GPS定位功能，以幫助盲人解決出行時遇到的問題。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)所構建的基于STM32處理器的電子導盲系統(tǒng)主要針對盲人這一特殊人群所設計，旨在方便盲人出行，為其創(chuàng)造一個更加安全的環(huán)境。通過綜合應用STM32控制、超聲波測距、角度測量、GPS定位等技術來實現(xiàn)。STM32控制為主控制電路；超聲波模塊可時時測量盲人在行走時前方是否有障礙物，并通過語音提示對盲人進行提醒；在盲人跌倒時，警報模塊迅速發(fā)出聲音，警示監(jiān)護人；使用GPS進行定位，為監(jiān)護人尋找盲人提供了有利條件，同時也為盲人提供了諸多方便。導盲拐杖整體設計圖如圖1所示。

2 模塊設計

2.1 主控制器選擇

本導盲系統(tǒng)采用STM32作為主要的控制電路，STM32控制器相較于51單片機，擁有主頻率更高、處理能力更強、耗能低、成本低等特點，是一款性價比較高的嵌入式處理器。同時還具有PWM、DA、AD等常用外設，使用方便，只需32.768 kHz的晶振頻率和3 V的電壓即可工作。

2.2 超聲波避障模塊設計

利用超聲波避障的好處在于測量方式簡單，易于實現(xiàn)，成本低，覆蓋面廣。超聲波避障模塊的原理與雷達測物的原理極為相似，超聲波發(fā)射器從某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物時發(fā)出的超聲波會立即返回，超聲波接收器接收被反射回的超聲波則計時停止。由s=tv/2就可計算出障礙物的距離。本設計采用HC-SR04超聲波傳感器，該模塊性能穩(wěn)定，測距精準。

STM32主控制電路發(fā)送40 kHz的脈沖信號，超聲波發(fā)射器發(fā)射信號后，經(jīng)超聲波換能器處理后轉換為超聲波信號，當探測到前方的障礙物時，將超聲波所測得的距離發(fā)送給語音模塊，從而提醒盲人成功避開障礙物。

2.3 角度測量防摔模塊

角度測量防摔模塊應用角度傳感器來測量角度。當盲人行走，由于地面不平導致盲人身體傾斜或將摔倒時，當角度探測小于30°，則認為盲人即將摔倒，角度測量器把信息傳給警報模塊，警報模塊發(fā)出警報，通知監(jiān)護人，由監(jiān)護人迅速將盲人扶穩(wěn)。

2.4 警報模塊

警報模塊將蜂鳴器與角度測量模塊相結合，為監(jiān)護人提供盲人的信息。當角度測量器檢測到拐杖的角度小于30°時，此時，STM32主控制電路啟動蜂鳴器，提醒監(jiān)護人。蜂鳴器電路如圖2所示。

2.5 GPS模塊設計

GPS技術從根本上解決了定位問題。由衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到信息后，經(jīng)計算，求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息。

在設計GPS模塊時，考慮到定位的精確性，選用SIM808GPS傳感器模塊。此模塊的優(yōu)點在于覆蓋范圍廣，開發(fā)板設計小，易于安裝，模塊主要包括主機、接收機和電源三部分。電源模塊主要與STM32主處理器相連，通過STM32為其供電，可使GPS模塊正常使用；接收機主要接收經(jīng)緯度信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機。通過接收到的經(jīng)緯度信息判斷盲人所處的具體位置。

2.6 語音提示模塊

考慮到產(chǎn)品的對象為盲人，因此本設計加入語音提示模塊及語音時間播報功能，主要對盲人進行語音提醒。語音模塊與超聲波測距模塊相結合，可時刻提醒盲人前方障礙物的情況。由于盲人在出行時無法知道時間，因此設計有定時播報時間。語音芯片采用SYN6288中文芯片，此芯片具有低功耗，接口簡單，性價比高等優(yōu)點。STM32主控制器的串行接口與SYN6288語音芯片通信，對其發(fā)送控制命令和文本，然后語音芯片將接收到的文本合成為語音芯片信號輸出。

2.7 電源模塊

電源模塊主要是為整個導盲系統(tǒng)提供電源，使其可正常工作。在設計電源模塊時，由于GPS耗電量較大，不僅要考慮節(jié)能，還要考慮用電量的問題，因此采用可充電的鎳鎘電池。

3 軟件設計

3.1 超聲波檢測流程圖

超聲波測距是本系統(tǒng)的一個重要部分，其測距軟件流程如圖3所示。

先將系統(tǒng)初始化，啟動超聲波模塊發(fā)射超聲波，同時計時器開始計時，看接收器能否接收到回波，若沒有接收到回波，則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，計數(shù)器繼續(xù)工作；若接收到回波，則計數(shù)器停止工作，并將數(shù)據(jù)傳遞給計算器，由于超聲波模塊測距與溫度有關，因此需要在存儲數(shù)據(jù)前對其進行溫度修正，方可得到比較精確的距離。

3.2 跌倒檢測告警流程圖

為防止盲人將跌倒時監(jiān)護人未發(fā)現(xiàn)的情況出現(xiàn)，在程序中設定了相應程序，即盲人在行走時，角度測量器判斷拐杖的角度是否小于30°，若不小于則繼續(xù)測量，若小于30°，則認為盲人將摔倒，此時STM32主處理器啟動蜂鳴器，從而使監(jiān)護人迅速意識到盲人的情況。圖4所示為角度檢測流程圖。

4 結 語

本系統(tǒng)的優(yōu)點在于角度傳感器可檢測拐杖狀態(tài)，當盲人不慎摔倒時，系統(tǒng)立即啟動蜂鳴器告知盲人當前的情況，使監(jiān)護人迅速反應攙扶盲人。當遇到障礙物時通過超聲波測算障礙物距離進行語音提示，提示盲人自身位置與障礙物間的距離，通過GPS對盲人進行精確定位，從而獲得盲人的精確位置，防止其走丟。本設計具有成本低，障礙物檢測精度高，跌摔檢測可靠等優(yōu)點，可滿足盲人朋友的需求，便于推廣使用。

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