基于STM32單片機(jī)智能盲杖的設(shè)計(jì)

黃振宇 王先杰 陳剛

摘要：針對目前市場提供給盲人的盲杖結(jié)構(gòu)簡單，智能盲杖智能性能低、導(dǎo)盲效果差等問題，本文以STM32為主控芯片，設(shè)計(jì)了一種新型的智能盲杖，解決盲人出行不便的諸多難題。該智能盲杖能在盲人出行時(shí)實(shí)時(shí)獲取自己定位信息，利用多超聲波系統(tǒng)探測盲人周圍的障礙信息，盲人行走時(shí)盲杖以聲光報(bào)警的形式提醒路人進(jìn)行避讓。通過MPU6050傳感器解算盲杖的姿態(tài)信息實(shí)現(xiàn)盲人行走過程中意外跌倒的實(shí)時(shí)預(yù)警。所有信息通過WIFI方式發(fā)送到智能手機(jī)APP。通過盲杖敲擊姿態(tài)解算，手機(jī)APP通過GPS調(diào)用百度地圖獲取盲人位置信息，位置信息和障礙信息通過科大訊飛語音模塊進(jìn)行播報(bào)。經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用，該導(dǎo)盲杖能給盲人出行帶來較好的便利，同時(shí)具有使用簡單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能盲杖；STM32單片機(jī)；超聲波傳感器；ESP8266

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）33-0221-02

Abstract：Due to the simple structure， low intelligent performance and poor guide effect of the blind stick， a new type of intelligent blind stick is needed to be designed based on STM32which is used as the main control chip to decrease inconveniences occur when the blind is out of home. The intelligent blind stick can acquire real-time location information， detect obstacles around the blind through multi-ultrasonic system， and warn passers-by though sound and light alarm. The attitude information of the blind stick is calculated by MPU6050 sensor to realize the real-time warning of accidental fall while walking. All information is sent to smart phone APP via WIFI. By calculating the strike posture of the blind stick， the mobile phone APP which calledBaidumapcan obtain the position information of the blind.though GPS At the same time，the position information and obstacle information can be broadcast through the ITU voice module. Through practical application， the guide rod can bring more conveniences for the blind because of advantages of easier operation and lower cost.

Key words： Intelligent Blind Rod； STM32 Single Chip Microcomputer； Ultrasonic Sensor； ESP8266

1前言

據(jù)我國權(quán)威部門調(diào)查統(tǒng)計(jì)，中國是世界盲人最多的國家[1]，同時(shí)隨著老齡化的加速，盲人數(shù)量不斷增加。經(jīng)濟(jì)發(fā)展，生活水平的不斷提高，如何解決盲人出行難是目前函待解決的重大問題。傳統(tǒng)的盲杖使用起來有諸多不便，無法真正解決盲人出行難題，導(dǎo)盲犬訓(xùn)練期較長且費(fèi)用昂貴，國外一些專家學(xué)者開發(fā)了電子導(dǎo)盲犬，導(dǎo)盲儀等導(dǎo)盲設(shè)備，存在價(jià)格昂貴，使用復(fù)雜等問題，而且基本都停留在實(shí)驗(yàn)室階段[2][3]。

為了解決目前盲人導(dǎo)航設(shè)備存在的各種問題，文章創(chuàng)新性地提出了一種新的導(dǎo)航的方案：“智能盲杖——手機(jī)APP”智能導(dǎo)航系統(tǒng)。從我國道路的實(shí)際情況出發(fā)，在盲人還無法脫離盲杖的條件下，設(shè)計(jì)了智能盲杖，同時(shí)與安卓手機(jī)平臺結(jié)合，通過安卓手機(jī)平臺的GPS位置傳感器，調(diào)用百度地圖進(jìn)行位置信息的播放，提供更為個性化、更為精確的室外位置信息。

1 智能盲杖總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，智能盲杖由STM32單片機(jī)、超聲波探頭、MPU6050傳感器、WIFI無線模塊以及聲光報(bào)警電路組成。盲杖手柄位置為開關(guān)按鈕，方便盲人關(guān)閉電源。盲杖工作時(shí)，三對超聲波探頭對前方，左方及右方的障礙物信息進(jìn)行探測，MPU6050傳感器對盲杖的姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，所有的傳感器數(shù)據(jù)通過STM32單片機(jī)進(jìn)行分析處理后通過ESP8266WIFI模塊傳給Android APP。APP將探測結(jié)果通過實(shí)時(shí)播報(bào)，當(dāng)盲人需要了解目前所在位置時(shí)候，通過盲杖敲擊地面3次，MPU6050的加速度和陀螺儀分析數(shù)據(jù)解算出盲人敲擊動作后，將結(jié)果反饋給APP，APP調(diào)用百度地圖將盲人所在位置實(shí)時(shí)播報(bào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)控制電路

智能盲杖主控核心采用基于ARM 32位的Cortex M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)，3.3伏電壓供電，CPU工作頻率72MHZ[4]。該單片機(jī)具有單周期的乘除法指令，中斷系統(tǒng)優(yōu)先級可編程，64KB的Flash存儲器與20KB的SRAM存儲器能很好地滿足智能盲杖的數(shù)據(jù)處理要求。芯片體積小，其高效的時(shí)鐘管理模式能大大的降低使用時(shí)功耗，具有成本低，速度快性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 MPU6050模塊

MPU6050為全球首例整合3 軸陀螺儀、3 軸加速度計(jì)的6軸運(yùn)動處理組件，很好地解決了單獨(dú)采用陀螺儀與加速器傳感器時(shí)間軸之差的問題，封裝體積小，內(nèi)置的數(shù)字運(yùn)動處理DMP能方便實(shí)現(xiàn)設(shè)備的姿態(tài)解算[5]。MPU6050通過IIC總線與STM32單片機(jī)通信，MPU6050陀螺儀工作運(yùn)作電流約為5mA，陀螺儀待機(jī)電流只有5uA，角速度加速器工作電流為500uA，加速器省電模式電流僅為40uA@10Hz，當(dāng)一段時(shí)間STM32沒有收到有效的MPU6050運(yùn)動數(shù)據(jù)，MPU6050進(jìn)入到睡眠狀態(tài)，STM32單片機(jī)進(jìn)入到停機(jī)模式，直到MPU6050加速度傳感器有運(yùn)動數(shù)據(jù)時(shí)喚醒，大大延長的智能盲杖的工作時(shí)間。

2.3超聲波模塊

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm～400cm的非接觸式距離感測功能，通過3組HC-SR04模塊能有效實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲杖前方、左邊和右邊的障礙物探測[6]。STM32單片機(jī)向超聲波模塊TRIG端口提供一個15us脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個40KHz周期電平后，并檢測是否有回波。一旦檢測到有回波返回，則通過ECHO I/O口出現(xiàn)一個高電平的回響信號，其脈沖寬度與所測的距離成正比。此回波高電平持續(xù)的時(shí)間通過公式轉(zhuǎn)換可以計(jì)算得到障礙的距離。

2.4聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊采用蜂鳴器和LED等閃爍提醒相結(jié)合的模式。在盲人行走時(shí)，默認(rèn)開啟LED閃爍提醒的方式，當(dāng)超聲波模塊監(jiān)測到障礙物時(shí)，通過蜂鳴器進(jìn)行實(shí)時(shí)提醒。聲光報(bào)警和蜂鳴器報(bào)警都可以通過盲杖手柄上的按鍵單獨(dú)選擇開啟或者關(guān)閉。

2.5 ESP8266WIFI模塊

為了減小智能盲杖電路模塊的體積，同時(shí)降低開發(fā)成本，選用了樂鑫公司的ESP8266WIFI模塊實(shí)現(xiàn)智能盲杖與手機(jī)的通訊[7]。ESP8266芯片具有很好的性價(jià)比，使用方便。其RXD和TXD引腳分別接STM32單片機(jī)芯片的PA9和PA10引腳，通過串口實(shí)現(xiàn)與STM32單片機(jī)數(shù)據(jù)交換。

2.6鋰電池管理模塊

智能盲杖采用一粒2350ma的18650鋰電池進(jìn)行供電，除超聲波模塊外其他芯片工作電壓為3.3伏。智能盲杖采用tp4057鋰電池充電芯片作為其充電模塊，最大充電電流達(dá)到1A。在正常使用的情況下，能連續(xù)工作一周時(shí)間。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件部分主要對ESP8266和STM32F103C8T6芯片和進(jìn)行編程。系統(tǒng)開關(guān)打開后，進(jìn)入到初始化階段，獲取系統(tǒng)的各種參數(shù)，超聲波模塊獲取周圍障礙物數(shù)據(jù)，MPU6050采集加速度和陀螺儀數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)盲杖的運(yùn)動監(jiān)測，通過DMP實(shí)現(xiàn)盲杖的姿態(tài)采集，當(dāng)盲杖姿態(tài)異常（例如跌倒）時(shí)能實(shí)時(shí)進(jìn)行跌倒報(bào)警，ESP8266初始化并與手機(jī)APP進(jìn)行連接，將智能盲杖采集信息和控制信號實(shí)時(shí)發(fā)送到手機(jī)APP端。

3.2 安卓APP軟件設(shè)計(jì)

Android APP采用JAVA語言實(shí)用 Android Studio軟件進(jìn)行編程，通過SmartConfig技術(shù)實(shí)現(xiàn)與ESP8266進(jìn)行連接[8]。通過調(diào)用百度地圖，獲取當(dāng)前位置的位置數(shù)據(jù)（包括道路、建筑物），語音播報(bào)板塊通過調(diào)用訊飛語音sdk，初始化一個語音變量，設(shè)置該變量的發(fā)音人，語速，音量，云端等，然后會話結(jié)束回調(diào)接口，實(shí)現(xiàn)位置信息的適時(shí)播報(bào)。

4 測試

選用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)大路附近路段作為測試地點(diǎn)進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明該智能盲杖較好地滿足盲人室外出行要求：（1）智能盲杖在靠近障礙物（行人，車輛，路燈等固定物）都能在2米時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)聲光報(bào)警，在1米左右通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)語音提示；（2）模擬盲人跌倒時(shí)，智能盲杖非正常跌落時(shí)，能自動撥打預(yù)警電話進(jìn)行報(bào)警；（3）智能盲杖敲擊3下時(shí)，能實(shí)時(shí)調(diào)用百度地圖播報(bào)當(dāng)前盲人周圍的位置信息。

5結(jié)論

針對盲人現(xiàn)實(shí)生活中出行困難的難題，提出了新的智能盲杖解決方案并實(shí)現(xiàn)，在通過對盲人出行困難進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，吸取了目前智能導(dǎo)盲杖有點(diǎn)的基礎(chǔ)上，很好的改進(jìn)存在的各種不足，有較大的應(yīng)用價(jià)值。今后在程序、硬件電路不斷優(yōu)化改進(jìn)，提高檢測的靈敏度和位置的精度，將為盲人室外出行帶了極大便利。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】