基于STM32的盲人導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計

朱鑫 黃艷 高飛躍 徐玉琴 陳云梅

摘要：針對盲人數(shù)量龐大，本文設(shè)計了盲人導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32單片機為核心控制器，結(jié)合超聲波測距、圖像采集及處理、GPS導(dǎo)航和雙向語音播報四個模塊，可以達到探測障礙物，識別特定物體，導(dǎo)航去特定地點以及對特定語句的錄入、傳遞、播報等功能。

關(guān)鍵詞：STM32;圖像采集;超聲波測距;GPS導(dǎo)航;語音播報;導(dǎo)盲系統(tǒng)

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）11-0122-02

0 引言

盲人群體是社會中需要關(guān)心的弱勢群體， 全世界每5秒鐘就有一個人失明，90%的盲人在發(fā)展中國家。根據(jù)調(diào)查顯示，中國是世界上盲人數(shù)量最多的國家之一，平均每年會有40萬人失明，盲人問題已經(jīng)是我國嚴重的社會問題之一。出行一直是盲人較為關(guān)心的問題，市面上現(xiàn)有的導(dǎo)盲設(shè)施大多功能單一、操作困難、價格昂貴，經(jīng)常為盲人帶來使用上的不便，為此設(shè)計了一款功能多樣的導(dǎo)盲系統(tǒng)，幫助解決廣大盲人群體的出行問題，緩解社會壓力、提高社會服務(wù)。

1 系統(tǒng)組成及原理分析

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，該導(dǎo)航系統(tǒng)以STM32 微處理器為控制核心。系統(tǒng)由以下模塊，組成：主控制器;超聲波探測模塊實現(xiàn)障礙物的探測;語音播報模塊實現(xiàn)語音提示和語音控制;圖像識別模塊識別紅綠燈;GPS模塊實現(xiàn)導(dǎo)航;電源模塊[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計包括控制器選用、超聲波模塊設(shè)計、圖像識別模塊設(shè)計、GPS導(dǎo)航模塊設(shè)計、電源電路。

2.1 控制器設(shè)計

本導(dǎo)盲系統(tǒng)選用STM32F103RCT6作為控制核心器件，該控制器是一種嵌入式-微控制器，也是32位的基于ARM核心的微處理器，集成了ARM32位CortexTM-M3 內(nèi)核。該芯片低電壓性能強、耗能低、性價比高、穩(wěn)定性好、程序都是模塊化，接口相對簡單些 。在該系統(tǒng)設(shè)計中主要用來進行數(shù)據(jù)處理及控制[2]。

2.2 超聲波模塊設(shè)計

該模塊由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路以及報警提示電路組成。在此模塊中，單片機STM32控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射出特定頻率的方波，經(jīng)障礙物反射由超聲波接收電路接收信號并將信號處理，經(jīng)過計算得出前方障礙物距測距點的距離，當距離小于安全距離，報警提示開始工作[3]。

（1）超聲波發(fā)射電路。單片機利用壓電式超聲波換能器的壓電晶片共振產(chǎn)生超聲波，實時檢測前方和左右兩側(cè)是否有障礙物，同時單片機開始計時，實現(xiàn)超聲波的發(fā)射。采用的超聲波傳感器是一種固有頻率為40KHz，開放型的HC-SR04超聲波傳感器，該傳感器采用IO口TRIG觸發(fā)測距。（2）超聲波接收電路。超聲波接收電路將接收到的反射波轉(zhuǎn)化成為電信號，然后將其放大到一定幅值，同時抑制噪聲和干擾以利用后續(xù)單元進行進一步的處理，接收回路為諧振回路，能夠?qū)⑽⑷醯幕夭ㄐ盘枡z出，送到信號放大電路放大。當超聲波接收電路中的共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號。對接收到的信號進行濾波和放大，處理成電路可以接收的電平信號。（3）報警提示。超聲波接收電路接收到的回波信號經(jīng)過濾波電路和放大電路進行處理后，通過單片機的IO接口對處理結(jié)果進行檢測。當接收傳感器的全部信號后，系統(tǒng)通過特定的算法可以得到障礙物的最近距離，同時驅(qū)動蜂鳴器進行工作，該系統(tǒng)可以通過單片機控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，以提醒盲人最近的障礙物方位及其距離。

2.3 雙向語音播報模塊

雙向語音播報模塊選用科大訊飛的XF-S4240中文語音合成板卡與高效開關(guān)型低頻功率放大器LM4665MM，通過麥克風(fēng)陣列獲取用戶命令，省去D類放大器特有的LC濾波器直接接揚聲器作為輸出將信息傳遞給用戶。使用麥克風(fēng)將用戶指令通過語音文字轉(zhuǎn)換器發(fā)送到主控制器，由主控制器分析指令，然后含文本信息的指令通過SPI接口發(fā)送到語音合成板卡，再由語音合成板卡將文本信息轉(zhuǎn)換為語音信息，最后送往低頻功率放大電路[4]。

2.4 圖像識別模塊

圖像識別模塊由攝像頭，舵機、數(shù)據(jù)存儲器、圖像數(shù)據(jù)處理器組成，本模塊首先通過主控制器STM32驅(qū)動OV7670攝像機采集圖像數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)存儲器存儲圖像數(shù)據(jù)，圖像數(shù)據(jù)處理器進行圖像數(shù)據(jù)處理。同時電源電路還可以為整個采集模塊各個部分提供工作電壓，主控器STM32可以通過PWM控制舵機的旋轉(zhuǎn)攝像頭，拍攝不同的角度[5]。

攝像頭選用OV7670，其圖像傳感器陣列為640×480，VGA圖像可以達到30幀/秒。該導(dǎo)盲系統(tǒng)中0V7670設(shè)計為一個獨立模塊，其中留出一組接口與STM32控制器相連，STM32控制器通過該接口進行讀取數(shù)據(jù)，接口電路如圖2所示。

該系統(tǒng)設(shè)計了兩個舵機，一個用于水平方向的轉(zhuǎn)動，一個用于垂直方向的轉(zhuǎn)動。首先利用STM32控制器的定時器使舵機控制信號工作在PWM模式，產(chǎn)生周期為20ms、脈寬時間變化范圍為0.5ms～2.5ms的PWM信號，控制舵機運動到固定的角度。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用數(shù)據(jù)存儲芯片AT25DF021來實現(xiàn)，該儲存模塊為帶有SPI接口的FLASH型數(shù)據(jù)存儲器，最大操作頻率為66MHz，容量為2MB。由于該數(shù)據(jù)存儲器使用串行接口按照順序訪問其內(nèi)部的數(shù)據(jù)。因此可以使硬件布局簡化，減小引腳數(shù)目以及封裝尺寸，最大限度地減少開關(guān)噪聲，從而提高系統(tǒng)的可靠性。圖像數(shù)據(jù)處理包括RGB轉(zhuǎn)換為灰度色、中值濾波、閾值分割、提取骨架四個部分。

2.5 電源電路

為了給采集系統(tǒng)各部分提供工作電壓，本系統(tǒng)設(shè)計了電源電路。由于考慮到降低采集系統(tǒng)功耗，系統(tǒng)所有芯片選用了低電壓工作芯片，電源電路采用電壓為+3.3V可充電鋰電池SPX1117-3.3進行供電，電源電路如圖3所示。

2.6 GPS導(dǎo)航模塊

GPS導(dǎo)航模塊選用GPS25-LVS接收模塊，該模塊定位速度快，工作穩(wěn)定，耐電壓沖擊，具有很好的抗干擾性，是目前應(yīng)用最廣泛的GPS接收處理板。該模塊主要由天線、變頻器、信號通道、數(shù)字信號處理、儲存器、串口通信接口和電源組成。由它接收來自天線的信號，經(jīng)調(diào)制后，實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星信號的跟蹤、鎖定、測量，從而計算導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息。由于GPS25-LVS數(shù)據(jù)輸出格式是標準的串行RS232電平，與STM32單片機邏輯電平不同，因此采用MAX232芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，使得RS232電平與TTL電平連接[6]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件以STM32為信息處理核控制核心，采用進行模塊化設(shè)計，系統(tǒng)主程序主要由系統(tǒng)初始化、障礙物判定、雙向語音播報、圖像識別、GPS定位等子程序構(gòu)成。系統(tǒng)初始化主要完成對STM32端口、圖像識別模塊、GPS定位模塊和語音播報模塊等進行初始化，使它們處于待機工作狀態(tài)[7]。

4 結(jié)語

總之，該導(dǎo)盲系統(tǒng)以STM32單片機為控制主板，實現(xiàn)高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計，搭載了傳統(tǒng)的超聲波導(dǎo)盲模塊和語音播報模塊，同時又使用了圖像識別模塊和GPS導(dǎo)航模塊。幫助盲人實現(xiàn)道路障礙的規(guī)避，路口紅綠燈的識別，固定路線的導(dǎo)航以及語音控制導(dǎo)盲系統(tǒng)，保護了盲人的出行安全，方便盲人獨立出行，有利于盲人活動和生活。

參考文獻

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[7] 方仁杰，朱維兵.基于GPS定位與超聲波導(dǎo)盲拐杖的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2011（05）：1154-1157.