新一代盲人智能導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

苗琳琳 鹿馨云 曹光輝

摘 要：本文以盲人新一代導(dǎo)航系統(tǒng)為背景，通過應(yīng)用超聲波傳感器、蜂鳴報(bào)警器、語音播報(bào)器、光敏傳感器等眾多傳感設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。該導(dǎo)航系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)盲人前進(jìn)路上障礙物進(jìn)行分段距離提醒以及夜間照明功能。為新一代盲人導(dǎo)航系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化提供一種新思路和新方向。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī) 語音播報(bào)器 超聲波傳感器 光敏傳感器

中圖分類號(hào)：TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（b）-0003-02

城市化的高速發(fā)展在給人們帶來便利的同時(shí)，也為殘疾人，尤其是盲人帶來了諸多不利。傳統(tǒng)意義上，盲人出行主要依靠單一手杖和盲道的方式將不在適用。與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得利用相關(guān)傳感器設(shè)計(jì)新一代盲人導(dǎo)航設(shè)備成為可能。在此背景下，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于51單片機(jī)智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。

1 智能盲人導(dǎo)航系統(tǒng)整體框架

51單片機(jī)接收光敏傳感器傳來的光強(qiáng)信息，當(dāng)光線強(qiáng)度高于或等于設(shè)定閾值時(shí)，采用白天導(dǎo)航策略；當(dāng)光線強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，采用夜間導(dǎo)航策略。整體框如圖1所示。

1.1 白天導(dǎo)航策略

白天導(dǎo)航策略主要采用接力式預(yù)警、報(bào)警方案。利用超聲波測距模塊探測障礙物的位置信息，測量盲人與障礙物之間的距離，當(dāng)障礙物和盲人距離小于3m時(shí)，蜂鳴報(bào)警器響起，同時(shí)距離越小，蜂鳴器警音越急促；當(dāng)障礙物和盲人距離小于0.8m時(shí)，語音模塊發(fā)出預(yù)警，提示用戶及時(shí)避讓，保護(hù)盲人行走時(shí)的安全問題。

1.2 夜間導(dǎo)航策略

夜間導(dǎo)航策略是在白天導(dǎo)航策略的基礎(chǔ)上增添了夜間照明功能。夜間照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的思路是，當(dāng)單片機(jī)從光敏傳感器中接收到的外界光強(qiáng)低于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器，進(jìn)而點(diǎn)亮LED等，從而為盲人提供存在性保護(hù)。

2 硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

導(dǎo)航系統(tǒng)主要包括超聲波測距傳感器、蜂鳴器、語音播報(bào)模塊、光敏傳感器等。

2.1 超聲波測距傳感器

測距是盲人導(dǎo)航系統(tǒng)中關(guān)鍵且核心的一步。本系統(tǒng)測距傳感器采用US-100超聲波測距模塊，該模塊可實(shí)現(xiàn)2～4.5m的非接觸測距功能。US-100超聲波測距模塊具有兩種測距方式：電平觸發(fā)測距，串口觸發(fā)測距。這里采用電平觸發(fā)測距實(shí)現(xiàn)盲人和障礙物距離的測量。本系統(tǒng)電平測距采用的原理是，通過51單片機(jī)p2.3引腳發(fā)出高電平信號(hào)，觸發(fā)超聲波傳感器引腳2。然后，該傳感器發(fā)出8 個(gè)40kHz的超聲波脈沖，并檢測回波信號(hào)。當(dāng)檢測到回波信號(hào)后，模塊還要進(jìn)行溫度值的測量，然后根據(jù)當(dāng)前溫度對(duì)測距結(jié)果進(jìn)行校正，將校正后的結(jié)果通過Echo管腳輸出。Echo端輸出一高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時(shí)間來計(jì)算距離值。即距離值為：（高電平時(shí)間×340m/s）/2。

2.2 蜂鳴器

蜂鳴器是當(dāng)測距傳感器發(fā)現(xiàn)特定范圍內(nèi)障礙物時(shí)，對(duì)盲人進(jìn)行聲音提醒的一種方式。本系統(tǒng)采用Risym 0905有源蜂鳴器模塊，高電平觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。該蜂鳴器實(shí)現(xiàn)的功能是當(dāng)障礙物距離盲人在3m和0.8m之間時(shí)，蜂鳴器鳴叫。為了告訴盲人，障礙物的遠(yuǎn)近，蜂鳴器采用不同頻率鳴叫。頻率越高，或叫聲越急促，距離越近。本系統(tǒng)報(bào)警聲音的急促和舒緩是通過調(diào)整相鄰兩次蜂鳴時(shí)間的間隔來實(shí)現(xiàn)的。距離越遠(yuǎn)，間隔時(shí)間越長。隨著距離的逼近，間隔時(shí)間逐漸縮小。這里值得一提的是，蜂鳴器是振蕩發(fā)聲的，如果一直置1或者一直置0，蜂鳴器是不會(huì)響的。因此，這里蜂鳴器0，1交替賦值。

2.3 語音播報(bào)模塊

語音播報(bào)是較蜂鳴器報(bào)警的進(jìn)一步人性化體現(xiàn)。當(dāng)障礙物距離盲人小于0.8m時(shí)，語音播報(bào)響起。本系統(tǒng)采用QJ008M01語音模塊。當(dāng)接收到由51單片機(jī)串口發(fā)出的播報(bào)指令7E 02 01 EF時(shí)，開始播報(bào)語音模塊內(nèi)已經(jīng)放置好的語音文件。語音文件的放置可由USB直接連接電腦，通過電腦傳輸?shù)秸Z音模塊的FLASH即可。考慮到QJ008M01語音模塊的高級(jí)性，播報(bào)內(nèi)容可任意設(shè)置。播報(bào)順序可任意指定。此外，語音播報(bào)模塊通過與其直接相連的揚(yáng)聲器發(fā)聲。

2.4 光敏傳感器

夜間行走對(duì)于一個(gè)健康的人來說都是不安全的，對(duì)于一個(gè)盲人，其危險(xiǎn)程度可想而知。為了盡最大努力幫助盲人夜間的行走。本系統(tǒng)基于光敏傳感器并結(jié)合繼電器和LED燈，設(shè)計(jì)了一個(gè)夜間燈光照明系統(tǒng)。首先設(shè)定光敏傳感器響應(yīng)閾值，當(dāng)51單片機(jī)檢測到光敏傳感器傳回的光強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器打開LED燈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過照明系統(tǒng)保護(hù)盲人夜間行走。

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

首先，單片機(jī)初始化，包括設(shè)定時(shí)鐘頻率、串口配置、定時(shí)器中斷、光強(qiáng)閾值以及讀取光敏傳感器返回值的時(shí)間間隔等工作，然后進(jìn)入大循環(huán)階段。大循環(huán)階段包括按照預(yù)設(shè)時(shí)間周期性地檢測光敏傳感器傳來的光強(qiáng)，若獲取的光強(qiáng)高于或等于設(shè)定閾值，完成白天保護(hù)策略，及階梯式實(shí)行蜂鳴器預(yù)警以及語音播報(bào)；若光強(qiáng)低于設(shè)定閾值，啟動(dòng)燈光照明系統(tǒng)以及階梯報(bào)警功能。具體流程如圖2所示。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了新一代盲人智能導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于光敏傳感器，實(shí)現(xiàn)依據(jù)光強(qiáng)采用白天和夜間模式保護(hù)盲人行走。系統(tǒng)實(shí)際測試效果良好，為新一代盲人導(dǎo)航提供了新的思路和方向。

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