一種智能導(dǎo)盲拐杖設(shè)計(jì)

宋爽 鄒治嘉 馬宏強(qiáng)

摘?要：目前，由于市場(chǎng)上的導(dǎo)盲拐杖功能比較單一，無法滿足盲人的需要。針對(duì)這一問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能導(dǎo)盲拐杖。此款拐杖為空心圓柱狀，選用stm32f103rct6為主控芯片，并且通過超聲波測(cè)距、語音合成、緊急按鍵物理裝置來實(shí)現(xiàn)給使用者的提醒、導(dǎo)盲功能，通過GPS定位成熟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能，幫助盲人更加智能方便的出行。

關(guān)鍵詞：MCU;智能導(dǎo)盲;單片機(jī);超聲波測(cè)距;GPS定位

盲人外出時(shí)會(huì)遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況，或者因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人不在而走丟等。因此，本文利用現(xiàn)代已有技術(shù)，研究出一種新型導(dǎo)盲系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)障礙物避障、語音與發(fā)光提示、角度測(cè)量防摔以及GPS定位功能，以幫助盲人解決出行時(shí)遇到的問題。

1?智能導(dǎo)盲拐杖的設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1?原理框圖

選用stm32f103rct6為主控芯片，配合獨(dú)立的電源電路、光控發(fā)光電路、由SYN6288模塊構(gòu)成的語音合成電路、由HCSR04模塊構(gòu)成的超聲波測(cè)距電路、由壓力傳感器及壓力轉(zhuǎn)電壓模塊構(gòu)成的壓力檢測(cè)電路和由SIM868模塊構(gòu)成的定位電路，實(shí)現(xiàn)一款集測(cè)距避障、危險(xiǎn)報(bào)警、緊急報(bào)警按鍵、實(shí)時(shí)定位和發(fā)送消息于一體的智能導(dǎo)盲拐杖。

2?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1?主控芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2?stm32f103rct6最小系統(tǒng)

其中，包括stm32f103rct6最小系統(tǒng)、下載端口電路和變壓電路。在晶振電路中，8MHz晶振提供外部高速時(shí)鐘（HSE），用于提供更精確的系統(tǒng)時(shí)鐘;32.768KHz晶振提供外部低速時(shí)鐘（LSE），為精確定時(shí)服務(wù)，可用于RTC電路時(shí)鐘源，可為低功耗提供計(jì)時(shí)。

2.1.1?語音合成模塊電路設(shè)計(jì)

利于syn6288模塊，通過與主控芯片進(jìn)行串口通信，達(dá)到語音合成的目的，如播報(bào)時(shí)間、危險(xiǎn)警報(bào)等。

2.1.2?GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)

通過串口與主控芯片進(jìn)行通信、實(shí)現(xiàn)定位、發(fā)送信息的功能。

2.1.3?超聲波測(cè)距模塊電路設(shè)計(jì)

將HCSR04模塊安裝于拐杖底部前端，通過端口TRIG和ECHO給主控芯片傳輸信號(hào)，主控芯片根據(jù)所傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)一步計(jì)算得出所測(cè)距離，當(dāng)距離小于某一設(shè)定值則主控芯片控制語音合成模塊發(fā)出危險(xiǎn)警報(bào)，達(dá)到避障的目的。

2.1.4?獨(dú)立電源模塊電路設(shè)計(jì)

其中，設(shè)計(jì)了利用太陽能板給蓄電池充電電路，TP4056模塊將太陽能板提供的電能充入蓄電池中，蓄電池則采用可充放電的鋰電池并配備充電口，電池容量大小可根據(jù)最終運(yùn)行結(jié)果現(xiàn)在合適的容量。

圖3?電源模塊電路

2.1.5?光控發(fā)光電路設(shè)計(jì)

由于D5光敏電阻的靈敏度非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人眼對(duì)光強(qiáng)弱的判斷，故此電路不涉及主控芯片，在自然光較弱的情況下即可觸發(fā)此電路，自然光越弱光敏電阻阻值越大，三極管導(dǎo)通度越高，從而LED兩端電壓越大，即越亮，可以簡單有效地達(dá)到發(fā)光的作用。

圖4?光控發(fā)光電路

2.1.6?壓力傳感電路設(shè)計(jì)

其中，設(shè)計(jì)兩個(gè)薄膜壓力傳感器，一個(gè)在握手部，一個(gè)在拐杖底端觸地處，兩個(gè)傳感器壓力范圍根據(jù)實(shí)際情況具體設(shè)計(jì)。工作原理是將壓力信號(hào)通過壓轉(zhuǎn)電模塊轉(zhuǎn)換為需要的范圍電壓，再通過主控芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.1.7?緊急按鍵電路設(shè)計(jì)

當(dāng)按下按鈕時(shí)主控芯片PB12端口由高低配變化為低電平，從而實(shí)現(xiàn)是否按下按鈕地檢測(cè)。設(shè)置為長按一定的時(shí)間向手機(jī)發(fā)送使用者所在的位置，僅限突發(fā)情況使用，即報(bào)警按鍵，如使用者迷路、腿部受傷等類似情況。

2.2?原理圖

圖5?原理圖

2.3?PCB圖及PCB板

2.3.1?PCB圖的繪制

此PCB為雙層板，長約80mm，寬約60mm。其中5V電源線采用30mil線寬，3.3V電源線采用20mil線寬，地線采用30mil和20mil線寬，其余信號(hào)線均采用10mil線寬。

圖6?PCB圖

2.3.2?PCB板打樣

圖7?PCB板正面圖

3?軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件分為地理位置查詢及上報(bào)、語音提醒兩部分，地理位置的查詢及上報(bào)又分為：獲取GPS、GPS逆地理編碼得到地名、盲人當(dāng)前位置上傳OneNet云平臺(tái)。語音提醒部分又分為：前方障礙物提醒、手杖長時(shí)間離手提醒、當(dāng)前位置播報(bào)。以上功能全部基于STM32F103C8T6平臺(tái)采用C語言編程實(shí)現(xiàn)。

圖8

3.1?地理位置查詢及上報(bào)部分軟件設(shè)計(jì)

3.1.1?GPS定位

SIM868模塊具有GPS功能，軟件上通過串口對(duì)SIM868發(fā)送AT指令來控制芯片開啟GPS功能及接收GPS信號(hào)。程序中采用AT+CGPSOUT=2開啟GPS數(shù)據(jù)輸出，因此獲取的GPS數(shù)據(jù)格式為GPSGGA，獲取GPS數(shù)據(jù)的流程如圖9所示：

圖9

該語句以字符串的形式發(fā)送，因此程序中須對(duì)該字符串進(jìn)行解析，獲取經(jīng)度和緯度的角度格式，通過使用字符串處理將字符串格式的度分經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)型，并通過以下計(jì)算，將度分格式的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為角度格式的經(jīng)緯度，經(jīng)緯度處理程序如圖10：