基于GPS/GSM及超聲波測(cè)距的智能導(dǎo)盲手杖設(shè)計(jì)

黎文炎+段淑玉

摘要：隨著城市交通的迅速發(fā)展，視障人士的出行面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的盲杖已經(jīng)不能滿足他們安全出行的需求。為了解決盲人出行難的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一款智能導(dǎo)盲手杖，該手杖基于Arduino UNO單片機(jī)輔以GPS定位模塊、超聲波測(cè)距模塊、GSM模塊、語(yǔ)音模塊等，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、遇障報(bào)警、發(fā)送短信、撥打緊急聯(lián)系人電話等多種功能。手杖采用語(yǔ)音播報(bào)和按鍵操作方式進(jìn)行人機(jī)交互。該智能盲杖功能較齊全，各模塊體積小、成本低，易于規(guī)?；a(chǎn)。

關(guān)鍵詞：Arduino 單片機(jī)；智能手杖；GPS；GSM；超聲波測(cè)距

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）35-0263-03

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)存在1400余萬(wàn)視障人士，社會(huì)上與導(dǎo)盲相關(guān)的電子產(chǎn)品種類很多，功能越來(lái)越完善，各具特點(diǎn)。比如導(dǎo)盲眼鏡、智能車等產(chǎn)品普遍存在。在國(guó)外，新加坡國(guó)立大學(xué)所設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲手杖融入了諸多科技元素，依靠定位系統(tǒng)及感應(yīng)器等內(nèi)置設(shè)備掌握行進(jìn)方向[1]。在國(guó)內(nèi)，北京理工大學(xué)研發(fā)的導(dǎo)盲手杖通過(guò)超聲波檢測(cè)障礙物，再通過(guò)語(yǔ)音芯片將障礙物信息告知盲人，從而實(shí)現(xiàn)避障功能。貴陽(yáng)學(xué)院的古訓(xùn)[2]等制作了一款導(dǎo)盲手杖原型，能實(shí)現(xiàn)定位、障礙物測(cè)距以及聲光報(bào)警等功能，但不支持撥打和接聽(tīng)緊急聯(lián)系人電話。

以上電子產(chǎn)品雖然功能完備，但不具備通訊功能，且價(jià)格昂貴，不易推廣。盲人數(shù)量一直在增加，研發(fā)一款功能完善、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的導(dǎo)盲手杖是有必要的。本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲手杖基于模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)其功能需求精選市面上成熟的產(chǎn)品模塊進(jìn)行組裝調(diào)試而成，具備GPS定位、GSM通信（發(fā)送短信、撥打電話及接聽(tīng)電話）、超聲波測(cè)距、語(yǔ)音播報(bào)等功能，體積小，精度高，成本低，操作簡(jiǎn)單，易擴(kuò)展，便于進(jìn)一步研究及投產(chǎn)。

1 系統(tǒng)硬件介紹

1） 主控板——Arduino UNO單片機(jī)

Arduino UNO單片機(jī)是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板[3，4]。UNO以ATmega328為核心處理器，可通過(guò)USB接口、外部直流電源插座和電源連接器GND和VIN引腳三種方式供電。采用16MHz晶體振蕩器產(chǎn)生振蕩頻率，同時(shí)具有6路模擬輸入和6路PWM輸。通過(guò)RX（0號(hào)引腳）和TX（1號(hào)引腳）進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信，且包括SPI通信接口。2個(gè)外部中斷可同時(shí)觸發(fā)、上升沿和下降沿觸發(fā)，有利于控制各個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)。可通過(guò)按鍵觸發(fā)進(jìn)行復(fù)位，利用ICSP header直接下載程序到ATmega328。因其體積小，拓展容易，程序下載方便，數(shù)據(jù)IO口多，故適合本設(shè)計(jì)。

2） 超聲波測(cè)距模塊——HC-SR04

超聲波測(cè)距的原理如圖1所示，超聲波發(fā)射端T發(fā)出超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)，被接收端R接收，超聲波發(fā)生器與障礙物的距離S計(jì)算公式如下：

S=（Δt *v）/2 （1）

其中，Δt為發(fā)出超聲波到接收到返回信號(hào)的時(shí)間，v為超聲波在空氣中的傳播速度（假設(shè)不考慮空氣中的水蒸氣與其他雜物的影響，超聲波在常溫下的傳播速度是340米/秒[5]）。

HC-SR04超聲波模塊性能穩(wěn)定，精度高，測(cè)度距離精確，盲區(qū)小[6]，主要應(yīng)用于測(cè)距避障、倒車提醒等場(chǎng)合。該模塊具有VCC、GND、TRIG（控制端）、ECHO（接收端）4個(gè)端口。探測(cè)距離范圍為2cm-400cm，精確度可高達(dá)0.3cm，感應(yīng)角度不大于15度，因此適用于短距離且偏離角度小的測(cè)距。工作原理：通過(guò)觸發(fā)TRIG IO口給模塊提供至少10us的高電平（模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波），自動(dòng)檢測(cè)信號(hào)返回情況，有信號(hào)返回時(shí)IO口ECHO輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。該模塊通過(guò)測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間來(lái)計(jì)算障礙物距離，如公式（1）所示。本設(shè)計(jì)通過(guò)HC-SR04超聲波模塊和ASR M08-A語(yǔ)音模塊配合使用，實(shí)現(xiàn)在設(shè)定距離范圍內(nèi)障礙物提示作用，提醒盲人注意障礙物小心行走。實(shí)物如圖2所示。

3） 定位及通信模塊——YIXIN_SIM808_A

采用SIMCOM公司YIXIN_SIM808_A 模塊，該模塊是一款高性能工業(yè)級(jí)的GSM/GPRS/GPS三合一模塊且完全兼容Arduino，也方便嵌入到其他 MCU 系統(tǒng)中使用[7]。其中，GPS（Global Positioning System， 全球定位系統(tǒng)）目前主要應(yīng)用于防盜、行駛路線監(jiān)控、物流車輛監(jiān)控[8]、車輛定位[9]場(chǎng)合，具有定位時(shí)間短、定位精度高等特點(diǎn)。GSM/GPRS無(wú)線通信適用于全球各地區(qū)，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、彩信和傳真信息的傳輸。在本設(shè)計(jì)中，該模塊主要實(shí)現(xiàn)獲取位置信息、發(fā)送位置信息至指定手機(jī)、撥打設(shè)定電話、接聽(tīng)來(lái)電等功能，采用串口發(fā)送AT指令與單片機(jī)進(jìn)行通信。

4） 語(yǔ)音模塊——ASR M08-A

ASR M08-A非特定人語(yǔ)音模塊可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播報(bào)，支持讀取TF卡中語(yǔ)音文件，通過(guò)串口輸出與單片機(jī)或其他外設(shè)進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)中使用該模塊的語(yǔ)音播報(bào)功能，實(shí)現(xiàn)障礙物距離播報(bào)、來(lái)電提醒、短信發(fā)送情況提示等。在進(jìn)一步的研究中，可利用其語(yǔ)音識(shí)別功能，用語(yǔ)音代替按鍵輸入來(lái)控制導(dǎo)盲手杖的各項(xiàng)功能使用。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以Arduino UNO單片機(jī)為主控芯片，結(jié)合 YIXIN_SIM808_A 模塊、HC-SR04超聲波模塊、ASR M08-A語(yǔ)音模塊等，實(shí)現(xiàn)定位、通信、語(yǔ)音播報(bào)、障礙物測(cè)距等功能。各模塊具體功能描述如下：

1） Arduino UNO單片機(jī)，主控單元，控制著整個(gè)系統(tǒng)，處理核心是ATmega328處理器；

2） YIXIN_SIM808_A 模塊，實(shí)現(xiàn)GPS定位和GSM通信。通過(guò)GPS獲取盲人行走的位置信息，當(dāng)盲人在行走過(guò)程中遇到特殊情況，手動(dòng)按下手杖的發(fā)送短信按鍵，將一條短信發(fā)送到緊急聯(lián)系人的手機(jī)上，短信內(nèi)容為單片機(jī)解析GPS模塊獲取到的定位信息（即經(jīng)緯度）；也可以按下通話按鍵與指定家人進(jìn)行通話；同時(shí)支持家人撥打手杖上的手機(jī)號(hào)碼；endprint

3） HC-SR04超聲波模塊， 實(shí)時(shí)檢測(cè)盲人前方障礙物的距離，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物后通過(guò)與設(shè)定的距離進(jìn)行對(duì)比，條件滿足時(shí)單片機(jī)通過(guò)串口向語(yǔ)音模塊發(fā)送指令使語(yǔ)音播放內(nèi)存卡里面的語(yǔ)音文件；當(dāng)有電話進(jìn)來(lái)，將停止測(cè)距，直到掛斷電話，恢復(fù)測(cè)距；

4） ASR M08-A語(yǔ)音模塊，進(jìn)行來(lái)電提示、短信發(fā)送情況提醒、距離提示，指導(dǎo)盲人進(jìn)行操作和安全行走；

系統(tǒng)框圖如圖3所示，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試與分析

本系統(tǒng)采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，以Arduino UNO單片機(jī)為基礎(chǔ)，由 GPS/GSM 模塊、超聲波模塊、語(yǔ)音模塊和電源模塊組成，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)智能手杖的定位、通信、障礙物測(cè)距、語(yǔ)音提示等功能，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

3.1 GPS定位及短信通知功能調(diào)試分析

本設(shè)計(jì)采用GPS對(duì)外出盲人的位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)定位以防止其走失。盲人在遇到特殊情況時(shí)可按下手杖的按鍵將位置信息通過(guò)SIM808的GSM模塊發(fā)送到指定家人的手機(jī)上，其連線如圖8所示。同時(shí)，GPS獲取的定位信息可以在Arduino IDE串口監(jiān)視窗口中看到。

為測(cè)定GPS獲取到的位置信息的準(zhǔn)確性，將 “百度地圖”上查詢到的地點(diǎn)位置信息與該模塊獲取的信息作對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

從表4可以看出，GPS獲取到的位置信息與“百度地圖”上顯示的坐標(biāo)信息有誤差，誤差產(chǎn)生的原因主要有信號(hào)的傳播誤差、接收機(jī)誤差等[10]。但該誤差較小，在可接受的范圍內(nèi)。

再調(diào)試位置信息的發(fā)送功能。開(kāi)啟電源后，待SIM808模塊上的指示燈大約3秒閃爍一次，表示模塊工作正常，此時(shí)按下發(fā)送短信的按鍵，等待約5秒，待語(yǔ)音提示“定位發(fā)送成功”，手機(jī)接收到GPS定位信息，如圖6所示。

3.2 超聲波測(cè)距與語(yǔ)音播報(bào)功能調(diào)試分析

導(dǎo)盲手杖作為盲人出行的輔助工具，準(zhǔn)確測(cè)量障礙物距離是其重要功能。本設(shè)計(jì)通過(guò)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊和ASR M08-A語(yǔ)音模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)障礙物距離提示，其連線圖如圖8所示。

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定語(yǔ)音播報(bào)距離范圍：從60cm到100cm，每10cm范圍播報(bào)相應(yīng)距離值，100cm—120cm，偶數(shù)距離播報(bào)相應(yīng)的距離值。當(dāng)超聲波測(cè)量到前方障礙物距離與設(shè)定相符時(shí)，語(yǔ)音模塊播放SD卡的語(yǔ)音文件，提示使用者注意障礙物，避免碰撞。表2、3為超聲波測(cè)距精度與語(yǔ)音播報(bào)測(cè)試結(jié)果。

從表2、3可以看出，超聲波在室內(nèi)和室外所測(cè)的距離與實(shí)際距離存在一定的誤差，誤差范圍在0-2cm之間。造成這些誤差的原因主要是測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度等因素帶來(lái)的聲速偏差，以及超聲波發(fā)射出與計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)之間的時(shí)間差、回波到達(dá)與被檢出之間的時(shí)間差等[10]，其中環(huán)境溫度造成的誤差可通過(guò)溫度補(bǔ)償算法來(lái)減小。但該誤差在可接受的范圍內(nèi)，并不會(huì)影響語(yǔ)音播報(bào)模塊，達(dá)到本設(shè)計(jì)的基本要求。

3.3 導(dǎo)盲手杖的總體功能測(cè)試及分析

將各模塊進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)各個(gè)模塊的功能均滿足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行組裝，實(shí)物如圖7所示。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，精度高，操作簡(jiǎn)單。

4 總結(jié)與展望

本文自主設(shè)計(jì)一款低成本的基于Arduino UNO單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖，該手杖具有超聲波測(cè)距、語(yǔ)音播報(bào)距離、短信發(fā)送GPS定位信息、語(yǔ)音通話等功能。測(cè)試結(jié)果顯示，該智能導(dǎo)盲手杖較好地實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，且整體性能穩(wěn)定。隨著大量傳感器技術(shù)的融入和無(wú)線通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，智能手杖在實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲避障功能的同時(shí)可兼容導(dǎo)航、健康狀況檢測(cè)等功能，為視障人士提供更加安全、便捷的出行保障。

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