導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

林君萍

摘要：目前多數(shù)的視力患者通過(guò)使用盲人杖來(lái)輔助獨(dú)立行走，但盲人杖的功能單一，且存在諸多安全隱患，針對(duì)以上問(wèn)題文中提出的導(dǎo)盲系統(tǒng)在普通盲人手杖的基礎(chǔ)上，利用紅外測(cè)距原理，識(shí)別周?chē)欠裼形矬w，利用語(yǔ)音播報(bào)模塊發(fā)出語(yǔ)音信號(hào)提示，利用溫度傳感器感應(yīng)盲人手心位置溫度變化輔助盲人找回導(dǎo)盲杖，通過(guò)GPS定位系統(tǒng)，有效地防止盲人走失，實(shí)現(xiàn)對(duì)盲人位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效的解決盲人獨(dú)立安全出行的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲系統(tǒng);紅外測(cè)距;語(yǔ)音播報(bào);GPS定位

中圖分類號(hào)：G642? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）04-0024-05

Abstract：At present， most vision patients use blind stick to assist independent walking， but the functions of blindstick is single， and there are manypotentialsecurityrisks. In response to the above problems， the system for assisting blind people proposed in this paper uses the principle of infrared distance measurement based on the ordinary blind cane to identify whether there are objects around， uses the voice broadcast module to send out voice signal prompts， and uses a temperature sensor to sense the temperature change of the blind person's palm to assist the blind people in finding stick， through the GPS positioning system， effectively prevents the blindperson from getting lost， realizes real-time monitoring of the position of the blind people， and effectively solves the problem of independent and safe travel of the blind people.

Key words：guidance system for blind people;infrared distance;voice broadcast;GPS positioning

據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，目前全球共有盲人約4500萬(wàn)，其中90%生活在發(fā)展中國(guó)家，另有1.8億人深受視力障礙的影響[1]。目前大部分的視力殘疾患者都用普通的盲人杖來(lái)輔助獨(dú)立行走，但盲人杖的功能單一，且存在諸多的安全隱患，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)蠓秶鷥?nèi)的障礙物地探測(cè)等。于是人們考慮通過(guò)訓(xùn)練犬類作為導(dǎo)盲犬，導(dǎo)盲犬在很大程度上改善了盲人的出行困難問(wèn)題，但是訓(xùn)練一只合格的導(dǎo)盲犬需要花費(fèi)大量的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。2006年在中國(guó)大連成立了我國(guó)第一家也是目前為止唯一的一家非營(yíng)利的導(dǎo)盲犬培訓(xùn)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)成立8年，畢業(yè)交付使用的導(dǎo)盲犬僅80只，導(dǎo)盲犬的培訓(xùn)工作步履維艱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足供求關(guān)系，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)普及。因此設(shè)計(jì)出一款使用方便，價(jià)格低廉，能有效彌補(bǔ)導(dǎo)盲犬不足的導(dǎo)盲系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要通過(guò)紅外線傳感技術(shù)，在盲人前方和左右方發(fā)射紅外線信號(hào)。在遇到物體時(shí)，就會(huì)反饋目標(biāo)方向的信號(hào)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理信號(hào)后，用語(yǔ)音芯片發(fā)出警告。盲人再根據(jù)提示做好避障準(zhǔn)備。利用GPS模塊采集實(shí)時(shí)定位信息，在用GSM模塊將定位信息發(fā)送給盲人的家人，達(dá)到防走失的作用。

以AT89S52和STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，通過(guò)夏普GP2Y0A710K0F紅外線測(cè)距模塊和ISD1420語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)測(cè)距語(yǔ)音播報(bào)功能，通過(guò)GPS定位模塊采集信息并利用GSM模塊發(fā)送短信，實(shí)現(xiàn)對(duì)盲人位置的監(jiān)控。

硬件電路的設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：一、紅外測(cè)距及語(yǔ)音播報(bào)主控模塊：用AT89S52單片機(jī)將紅外測(cè)距模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、DS18B20溫度傳感器模塊電路相連接，紅外測(cè)距及語(yǔ)音播報(bào)主控模塊原理框圖如圖1所示;二、定位模塊：用STC12C5A60S2單片機(jī)將GPS定位模塊和GSM模塊相連接，定位模塊原理框圖如圖2所示。紅外線測(cè)距通過(guò)紅外線傳感器采集，AT89S52單片機(jī)將所采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ISD142語(yǔ)音模塊進(jìn)行播報(bào)，用DS18B20作為溫度傳感器來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警來(lái)判斷導(dǎo)盲杖是否脫離使用者。用ZTK-NEO-6M采集用戶位置數(shù)據(jù)給STC12C5A60S2單片機(jī)，STC12C5A60S2單片機(jī)通過(guò)串口通信單元控制SIM300模塊發(fā)短信，讓盲人的家人能及時(shí)掌握盲人的地址信息以防止意外的發(fā)生。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）通過(guò)紅外線測(cè)距模塊可以檢測(cè)出前方、左方、右方三個(gè)方向所傳送來(lái)的障礙物的信息。

（2）通過(guò)ADC0832將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，用中央控制器控制ISD1420實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的播報(bào)。

（3）通過(guò)DS18B20采集溫度，用控制器設(shè)置溫度門(mén)限，并控制蜂鳴器報(bào)警。

（4）通過(guò)STC12C5A60S2控制GPS定位模塊采集實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度信息。

（5）通過(guò)STC12C5A60S2控制GSM模塊與用戶指定的手機(jī)進(jìn)行通信，GSM模塊就可以定時(shí)將采集到的經(jīng)緯度信息發(fā)送至用戶指定的手機(jī)，并且可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送短信內(nèi)容來(lái)控制GSM模塊馬上返回一條位置信息，在真正意義上實(shí)現(xiàn)盲人的家人對(duì)盲人位置的監(jiān)控。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)根據(jù)不同的模塊不同的功能及硬件對(duì)串行口不同的需求，選用了不同的主控芯片，采用了STC公司的STC12C5A60S2和Atmel公司的AT89S52單片機(jī)。

2.1 STC12C5A60S2主控電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為GPS數(shù)據(jù)采集和GSM數(shù)據(jù)傳輸電路的控制器。STC12C5A60S2擁有全雙工串行通信接口，串口1用于GSM模塊與單片機(jī)連接，串口2用于GPS模塊與單片機(jī)連接。具體主控電路設(shè)計(jì)如圖3所示，選用了封裝40腳直插式的STC12C5A60S2作為主控芯片。STC12C5A60S2是機(jī)器周期為1T的單片機(jī)，作為新一代的單片機(jī)，比起傳統(tǒng)的8051單片機(jī)它的抗干擾性更強(qiáng)、速度更快、功耗更低[2]。該單片機(jī)芯片內(nèi)部集成了一個(gè)復(fù)位電路，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)8路信號(hào)、40Msps的A/D轉(zhuǎn)換，有兩個(gè)引腳輸出PWM信號(hào);芯片上合成了1280字節(jié)的讀寫(xiě)存儲(chǔ)器;還有兩個(gè)時(shí)鐘輸出口，P3.4端口作為T(mén)0輸出時(shí)鐘，P3.5端口作為T(mén)1輸出時(shí)鐘。

2.2 AT89S52主控電路

設(shè)計(jì)中采用AT89S52作為紅外線測(cè)距語(yǔ)音播報(bào)電路的主控制器，主控電路設(shè)計(jì)如下圖4所示。AT89S52具有256節(jié)程序運(yùn)行空間、8字節(jié)閃存，并且支持高達(dá)64K的外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。在單獨(dú)的芯片上，能嫻熟地處理8位傳輸數(shù)據(jù)和系統(tǒng)可編程，有很強(qiáng)的靈活性，因此成為大多數(shù)應(yīng)用程序的首選解決方案。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1紅外測(cè)距語(yǔ)音播報(bào)模塊主程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)中，當(dāng)紅外模塊被啟動(dòng)后，先對(duì)AT89S52單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后通過(guò)紅外線發(fā)射端發(fā)射紅外信號(hào)，紅外線接收端接收紅外信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，將片外的模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字量用來(lái)判斷距離[3]。距離閾值設(shè)置為100cm，當(dāng)距離大于設(shè)置閾值時(shí)，紅外發(fā)射管重新發(fā)送紅外信號(hào);當(dāng)距離小于設(shè)置閾值時(shí)，單片機(jī)就驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音模塊進(jìn)行播報(bào)。紅外線傳感測(cè)距模塊主程序流程圖如圖5所示。

3.2溫度傳感模塊程序設(shè)計(jì)

溫度傳感模塊是采用DS18B20作為溫度采集部分，該傳感器兼具測(cè)量和讀取溫度值的功能。測(cè)量的溫度用二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式表達(dá)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到16位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在傳感器的兩個(gè)8比特的存儲(chǔ)器中，如表1所示。

如圖6所示，在單片機(jī)初始化后，設(shè)置DS18B20的溫度報(bào)警門(mén)限，當(dāng)溫度低于門(mén)限時(shí)，輸出高電平給蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3.3 GPS模塊定位數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

3.3.1 GPS數(shù)據(jù)采集主程序設(shè)計(jì)

定位模塊主程序主要由程序初始化、GPS數(shù)據(jù)采集設(shè)置、GPS數(shù)據(jù)處理三個(gè)部分組成，具體如下圖7所示，用中斷方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)再通過(guò)子程序完成處理，關(guān)鍵是對(duì)經(jīng)緯度數(shù)據(jù)的處理，即GPS信息輸出格式。數(shù)據(jù)處理后由GSM傳輸位置信息。

3.3.2 GPS信息輸出格式

ZTK-NEO-6M的數(shù)據(jù)格式為美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)碼，由8位二進(jìn)制數(shù)組成，可以徑直使用C語(yǔ)言進(jìn)行編譯，然后采集到要求的數(shù)據(jù)。ZTK-NEO系列模塊可以輸出12句語(yǔ)句，分別是GPGGA，GPGSA，GPGSV，GPRMC，GPVTG，LCGLL，LCVTG，PGRME，PGRMF，GPGLL，PGRMV，PGRMT。輸出的12句語(yǔ)句代表的信息是不一樣的。如GPGGA語(yǔ)句中傳送的格式為：

$GPGGA，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<11>，<12>*hh

傳送的信息說(shuō)明如下：

$GPGGA：說(shuō)明GPS定位數(shù)據(jù)和語(yǔ)句格式;

<1>協(xié)調(diào)時(shí)間，時(shí)時(shí)分分秒秒格式;

<2>緯度，度度分分。分分分分格式;

<3>緯度半球，北緯N或南緯S;

<4>經(jīng)度，度度分分。分分分分格式;

<5>經(jīng)度半球，東經(jīng)E或西經(jīng)W;

<6>GPS采集判斷，0表示為方位不能操作，1表示非差分方式能使用方位，2表示差分方式可以使用方位，6表示能行使操作;

<7>使用衛(wèi)星數(shù)量，從00到12;

<8>水平精確度，0.5到99.9;

<9>GPS與海平面的高度差，-10000米到10000米;

<10>大地水準(zhǔn)面高度，-10000米到10000米;

<11>差分方式判斷，設(shè)置無(wú)線電的傳送量;

<12>差分參考基站標(biāo)號(hào)，從0000到1023;

*語(yǔ)句結(jié)束標(biāo)志符;

3.4 GSM模塊無(wú)線傳輸程序設(shè)計(jì)

該導(dǎo)盲系統(tǒng)接通電源開(kāi)始工作后，會(huì)對(duì)GSM模塊和單片機(jī)程序進(jìn)行初始化設(shè)置。單片機(jī)初始化設(shè)置包括一個(gè)串行端口、標(biāo)志位、碼元速率和變量參數(shù)初始化。GSM模塊初始化設(shè)置主要有重啟和關(guān)機(jī)回應(yīng)，通過(guò)把返回值的頭信息設(shè)置成在文本模式下不會(huì)詳細(xì)顯示的信息，并將短信格式設(shè)置為文本模式，同時(shí)建立一個(gè)串行口中斷用來(lái)收集信息[4]。程序設(shè)定了可尋址標(biāo)示的返回參數(shù)，使得模塊在面對(duì)不同參數(shù)時(shí)能做出相應(yīng)的回應(yīng)。其中可尋址的標(biāo)志位分布在STC12C5A60S2的位尋址區(qū)中2FH和2EH兩個(gè)字節(jié)單元中，具體如下表2所示。

3.5 GSM模塊無(wú)線傳輸程序設(shè)計(jì)

3.5.1 定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)

在主程序中，不需要一直發(fā)送采集到的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，所以對(duì)字程序需要選取一個(gè)適合的調(diào)度時(shí)間。本設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器中斷程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的定時(shí)發(fā)送。當(dāng)定時(shí)器達(dá)到180ms，將變量timer_count自加1。當(dāng)timer_count=1000時(shí)，發(fā)送標(biāo)志位置位，所以定時(shí)時(shí)間為180ms×1000=180s。定時(shí)器中斷服務(wù)程序主要用于GSM傳輸數(shù)據(jù)。如圖8所示。

3.5.2 GSM串口中斷程序設(shè)計(jì)

在GSM串口中斷程序中，先進(jìn)行初始化，然后將數(shù)據(jù)從接收緩存區(qū)中讀出，判斷是否有收到‘CMTI。若收到‘CMTI，則表示有新的短消息，程序便進(jìn)行發(fā)送讀指令。在讀信息后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理結(jié)束后發(fā)送刪除短信指令，將短信刪除。若沒(méi)有收到‘CMTI，則清空接收緩沖，具體工作流程如圖9所示：

4總結(jié)

針對(duì)盲人安全出行問(wèn)題，文中提出的智能拐杖的導(dǎo)盲系統(tǒng)充分利用紅外線測(cè)距的原理，發(fā)射一定頻率的紅外脈沖信號(hào)，在遇到物體會(huì)反射回紅外脈沖信號(hào)，系統(tǒng)接收并經(jīng)過(guò)處理后，將檢測(cè)到的信息通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)反饋給盲人，這樣就能彌補(bǔ)盲人在視覺(jué)功能上的缺陷，以此來(lái)輔助盲人有效避障。系統(tǒng)還增加了溫度傳感和GPS定位的功能，利用溫度傳感器輔助盲人找回導(dǎo)盲杖防丟失;同時(shí)還帶有GPS定位系統(tǒng)，有效地防止盲人走失，并解決盲人安全獨(dú)立出行的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1] 房東東.雙目視覺(jué)導(dǎo)盲系統(tǒng)探索與研究[D].中北大學(xué)，2013.

[2] 郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程入門(mén)、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：166-223.

[3] 燕學(xué)智，王樹(shù)勛，馬中勝，李辛，等.基于超聲紅外定位導(dǎo)航研制自動(dòng)引導(dǎo)車(chē)輛系統(tǒng)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工業(yè)版），2006，36（2）：242-246.

[4] 皮波，姚振東，廖政炯，等.基于GSM通信技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（10）：76-79.

【通聯(lián)編輯：王力】