基于物聯(lián)網(wǎng)的尋杖與避障智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)

浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院 楊思靜 陳本初 肖凡玥 彭保進

設(shè)計了一種新型的導(dǎo)盲佩戴裝置。采用ARM公司Cortex-M3架構(gòu)的STM32F103C8T6作為中央處理器，配備紅外避障、GPRS短信、nRF24L01無線傳輸、水位傳感、尋杖提示、震動報警六大核心模塊搭建該智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)的硬件平臺。實現(xiàn)了對目標(biāo)場景的辨別，最終通過盲人頸間佩戴主體部分的震動電機震動提醒盲人避障；利用GPRS發(fā)送求救或出行信息至盲人監(jiān)護人，從而能夠有效避免危險的發(fā)生；利用nRF24L01無線傳輸幫助盲人根據(jù)蜂鳴器聲音來尋找手杖。利用系統(tǒng)副體——導(dǎo)盲杖底部的水位傳感器來幫助盲人避水。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，在盲人胸前上下發(fā)散角為21度、左右發(fā)散角為12度的范圍內(nèi)，本產(chǎn)品能夠精準(zhǔn)避障，及時反饋，使盲人擁有“視”的知覺，及時避免潛在危險的發(fā)生。設(shè)計的產(chǎn)品成本低、重量輕、功能豐富實用，有推廣應(yīng)用價值。

引言

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，截至目前全球約有盲人7800萬，其中90%的盲人生活在發(fā)展中國家，中國現(xiàn)有盲人數(shù)量占據(jù)世界盲人總數(shù)的18%，多達1400萬。除此，我們身邊還有很多低視力人群。近年來，視障人群的助行設(shè)備也被人們廣泛關(guān)注。另一方面，目前市場上出現(xiàn)一些導(dǎo)盲產(chǎn)品，如導(dǎo)盲杖、導(dǎo)盲犬等。存在功能單一、價格昂貴且壽命較短等缺點。對于盲人來講，產(chǎn)品使用的愉悅感要體現(xiàn)在易用性、易學(xué)性、高效率和及時性。穿戴式產(chǎn)品成為我們首選目標(biāo)。

針對上述問題，本文設(shè)計了一款基于STM32控制，利用GPRS、nRF24L01無線通信及紅外避障等技術(shù)的智能導(dǎo)盲佩戴器。本設(shè)計著重于解決使用者對前方上下發(fā)散角為21度，左右發(fā)散角為12度范圍內(nèi)的障礙物，因此本設(shè)計的紅外探測器的探測范圍會隨使用者頭部變化而變化，且探測距離1m內(nèi)可調(diào)。通過胸前的震動報警模塊避障提示，精確到百分位。該系統(tǒng)還兼有避水、尋杖、GPRS短信等多項功能。

1.智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

在便攜式產(chǎn)品設(shè)計中成功的功能設(shè)計需要對人類行為與產(chǎn)品的使用特性作科學(xué)地分析，從盲人的生理與心理為目標(biāo)進行研究，設(shè)計出一款便攜式導(dǎo)盲器。其中探測部分由紅外探測器和水位傳感器兩個部分組成。前者位于系統(tǒng)的主體部分，將探測到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號傳輸至STM32F103C8T6單片機，經(jīng)判別比較并通過振動提示避障。后者位于系統(tǒng)的副體——導(dǎo)盲杖底部，將探測到的信號傳至STM32F103C8T6單片機，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換、判斷比較并通過手杖的杖頭部分振動提示前方地面有積水。

無線傳輸部分由GPRS模塊和nRF24L01模塊組成。使用者按下胸前主體部分求助按鍵，單片機控制GPRS給預(yù)先設(shè)定好的手機號碼發(fā)送中文或者英文消息；nRF24L01通信模塊分為發(fā)送和接受模塊，發(fā)射模塊位于，接收模塊位于副體，副體上的核心處理器接收到“尋杖”命令，位于副體的震動馬達發(fā)出聲響使用者根據(jù)聲音來判斷遺忘手杖的距離和方向。

2.智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 紅外避障模塊設(shè)計

發(fā)射管一直在發(fā)射調(diào)制紅外光，當(dāng)前面的障礙物越近，反射回來的紅外光越強。通過發(fā)射端發(fā)射出紅外線的光束當(dāng)前面一定的范圍內(nèi)有障礙物,這時候紅外線被反射回來，這個時候接收端通過單片機處理后的狀態(tài)就變?yōu)椤?”,單片機控制完成相應(yīng)的避障策略。

由于紅外光在發(fā)出時經(jīng)過調(diào)制，該傳感器對環(huán)境光有一定的抗干擾性。雖然這種方法是探測的是反射光的強度，會受目標(biāo)物體表面反射率的影響，但是生活中絕大部分物體為灰體，經(jīng)過系統(tǒng)對黑白灰三種障礙物避障測試，避障精準(zhǔn)可靠。

2.2 無線通信傳輸模塊設(shè)計

2.2.1 GPRS通信

GPRS通信技術(shù)傳輸速率可達115Kb/s，在4G網(wǎng)絡(luò)下傳輸速率將會更高；具備實時在線功能；與GSM網(wǎng)絡(luò)相比其安全性更高。作品中盲人與家人之間的通信采用GPRS的無線通訊方式。

發(fā)送：在接收到盲人特定的指令信息后，用串口函數(shù)向A6模塊發(fā)送串口字符串?dāng)?shù)據(jù)。首先使用多個AT查詢指令，檢測A6是否已進入正常工作狀態(tài)；其次，通過"AT+CMGF=手機號碼 "，設(shè)置短信發(fā)送格式為PDU中文格式。接著，設(shè)置發(fā)送對象的手機號碼，最后設(shè)置短信內(nèi)容，設(shè)置短信內(nèi)容并包括結(jié)束符。4個步驟完成短信的發(fā)送。再進入準(zhǔn)備工作狀態(tài)。

接收：GPRS和STM32連在一起，當(dāng)盲人按下指令“求助”按鍵，STM32給其發(fā)送消息，GPRS會識別STM32發(fā)送來的文本信息，即收到的短信的信息。當(dāng)短信發(fā)送成功時，GPRS模塊振動提示。

2.2.2 nRF24L01通信

基于“尋杖”功能的簡易型且該芯片具備數(shù)據(jù)傳輸速率可為1Mbps—10Mbps。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置。工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為0dBm時，電流消耗為11.3mA，接收模式時為12.3mA，掉電模式和待機模式下電流消耗更低。我們選擇其作為實現(xiàn)“尋杖”功能的無線通信模塊。

nRF24L01通過SPI接口與單片機通信，所有配置字通過SPI接口送給nRF24L01，SPI接口的工作方式通過SPI指令設(shè)置。在盲人按下頸間的“尋杖”按鍵之后，STM32通過SPI接口發(fā)送數(shù)據(jù)給裝在盲人手杖上的nRF24L01數(shù)據(jù)，盲人根據(jù)蜂鳴器的響度來判斷手杖的方向和距離從而找到手杖。

2.3 振動報警模塊設(shè)計

雖目前大多數(shù)盲人產(chǎn)品設(shè)計加入了聽覺元素，但觸覺也作為感知事物的主要途徑，逐漸成為本世紀(jì)設(shè)計新的探索方向。該導(dǎo)盲器的報警模塊有兩部分組成，蜂鳴器報警和振動報警。系統(tǒng)采用的是微型手機用扁平式振動馬達，工作電壓3.3V，成本低、體積小、功耗低，適用于便攜式系統(tǒng)中。

2.3.1 主體避障提醒

紅外測距模塊檢測到離障礙物距離進入設(shè)定值→單片機檢測到它的一個引腳輸出跳變→單片機驅(qū)動頸間震動電機震動提醒。

2.3.2 副體避水提醒

盲人判斷為晴天時，按下位于杖頭的開關(guān)，位于拐杖底部的水位傳感器檢測到前方地面有水，杖頭的震動馬達震動提示使用者避水。

2.4 電源模塊設(shè)計

與便攜式電子產(chǎn)品小型化相適應(yīng)的新型電池產(chǎn)業(yè)獲得了前所未有的發(fā)展機遇。本文所述系統(tǒng)采用9V堿性電池和自己設(shè)計的寬輸入高效率轉(zhuǎn)3.3V/5V的DC-DC降壓穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。5V給STM32單片機和GPRS模塊供電；3.3V給nRF24L01通信模塊、紅外探測器和水位傳感器供電。

3.智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)軟件設(shè)計

本項目采用紅外避障模塊以及STM32單片機作 為主控MCU，輔助以GPRS、nRF24L01通信模塊，構(gòu)成一個完備的避障導(dǎo)盲及外部電路控制的系統(tǒng)。

4.系統(tǒng)測試結(jié)果

模擬盲人行走情景搭建的實驗裝置測試系統(tǒng)避障的可靠性，將獲得的數(shù)據(jù)通過MATLAB分析得到導(dǎo)盲器對黑白灰三色障礙物避障的可靠性和發(fā)散角大小。

在避障距離調(diào)好為80cm時。隨著系統(tǒng)測試次數(shù)的增加，實際避障距離保持在82—86cm之間，人的正常反應(yīng)時間為0.15至0.4s，步行速度為1m/s，使用者避障的時間是足夠的。日常生活中常見的物體為灰體，經(jīng)過測試和數(shù)據(jù)整理，對于灰體，導(dǎo)盲系統(tǒng)避障的發(fā)散角為上下為21度，左右為12度；對于白體，導(dǎo)盲系統(tǒng)避障發(fā)散角為上下12度，左右14度。在紅外探測器探測到障礙物時，胸前的震動馬達震動提醒盲人及時采取避障措施。

5.結(jié)束語

隨著信息化時代的發(fā)展，可穿戴設(shè)備在消費者中的滲透率在升高，智能穿戴設(shè)備從概念設(shè)計走向商用化。而對盲人的關(guān)心，使得我們的社會責(zé)任感增強，用知識服務(wù)社會。本文基于STM32集GPRS短信、nRF24L01無線傳輸、水位傳感、尋杖提示、震動報警六大核心模塊設(shè)計的智能導(dǎo)盲佩戴系統(tǒng)，實現(xiàn)了對目標(biāo)場景的辨別，最終通過盲人頸間佩戴主體部分的震動電機震動提醒盲人避障；利用GPRS發(fā)送求救或出行信息至盲人監(jiān)護人，從而能夠有效避免危險的發(fā)生；利用nRF24L01無線傳輸幫助盲人根據(jù)蜂鳴器聲音來尋找手杖。利用系統(tǒng)副體——導(dǎo)盲杖底部的水位傳感器來幫助盲人避水。滿足了用于攜帶便利的要求，并且按鍵少，易于操作。