一種基于單片機的智能盲杖系統(tǒng)

鄭安豫, 王 俊,2, 周 銳

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230051;2.國網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心, 安徽 合肥 230022)

0 引言

伴隨社會的發(fā)展，作為一個特殊的群體，殘疾人生活質(zhì)量的關(guān)注度逐步提高。除了在生活工作中給予平等對待、不歧視之外，殘疾人生活所需的各種輔助設(shè)備也在不斷的朝著智能化方向發(fā)展。

根據(jù)中國殘疾人聯(lián)合會的《全國殘疾人人口基礎(chǔ)庫主要數(shù)據(jù)》，截至2018年12月31日，我國視力殘疾人數(shù)量約為410.8萬。與盲人數(shù)量不對稱的是，中國的導(dǎo)盲犬的數(shù)量驚人的少。盲杖作為盲人的生活輔助用品，作用就尤其重要。隨著社會的發(fā)展和盲人對盲杖應(yīng)用的實踐，促進盲杖的結(jié)構(gòu)和使用方法有了長足的改進。由起初簡單的棍棒，升級為更具應(yīng)用效能的各種盲杖等；盲杖材質(zhì)也更加輕便，外觀也更加醒目，從而全面提升盲杖使用體驗感和滿意度。

近年，對盲杖的改進主要在盲杖的材質(zhì)，形態(tài)，使用的舒適度等方面進行升級。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的來臨、移動互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，各種生活用品、家居用品、社會基礎(chǔ)設(shè)施的智能化發(fā)展如火如荼。盲杖的智能化也順利成章。

文章提出了一種基于單片機的智能盲杖設(shè)計。保留了傳統(tǒng)盲杖輕便、舒適的特點之外，還增加了智能化模塊，使盲杖能夠提供更多智能化的功能。

1 設(shè)計思路

1.1 導(dǎo)航

進入移動互聯(lián)網(wǎng)時代之后，智能手機應(yīng)用也走進普羅大眾的方方面面。地圖APP作為一種常見的智能手機應(yīng)用，具有定位、導(dǎo)航等功能，目的地的輸入也支持語音輸入，對盲人的使用沒有太大的障礙。由于身體限制，盲人對路徑導(dǎo)航的需求較常人更為迫切。但由于手機語音播報聲音較小，在喧囂的街道環(huán)境中需要貼近耳朵才能聽清，如果使用耳機聽取導(dǎo)航播報，雖然能夠聽清楚導(dǎo)航播報語音，但是帶上耳機會影響盲人對周圍環(huán)境的判斷。綜合來看，弊大于利，使用耳機并不是最佳方案。

為解決上述問題，文章設(shè)計了藍牙模塊連接手機，并設(shè)置揚聲器來輸出手機的導(dǎo)航音，盲人在喧鬧的街道中也能清晰地聽到導(dǎo)航播報語音，滿足盲人對導(dǎo)航的使用需求。

1.2 GPS定位

在生活實際場景中，當盲人由于各種原因需要向他人發(fā)出求助時，需要向求助方描述身處的位置。常人一般會描述身處的環(huán)境特征、標志性建筑、路名等信息，由于盲人很難獲取上述環(huán)境信息，無法向求助方描述準確位置，給求助帶來麻煩。

為了解決上述問題，文章中設(shè)計GPS模塊來實現(xiàn)獲取當前所處的精準位置，并通過語音播報通知使用者。被求助方可以通過GPS位置信息來獲取使用者的精確位置，為幫助掃清障礙。

1.3 超聲避障

傳統(tǒng)盲杖在使用時，使用者用手臂驅(qū)使盲杖與障礙物發(fā)生碰撞，并感受碰撞反饋回的信息，來判斷障礙物的位置。這種使用習慣需要大量的訓(xùn)練才能達到熟練使用，即使熟練使用后，仍然會有各種意外情況導(dǎo)致判斷出錯。

基于此，文章中設(shè)計了超聲模塊與蜂鳴器來實現(xiàn)，利用超聲模塊不停檢測前方障礙物，如果遇到障礙物，通過蜂鳴器通知使用者。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用單片機驅(qū)動各個模塊來實現(xiàn)智能盲杖系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的構(gòu)造如圖1所示。手機的路徑導(dǎo)航系統(tǒng)已非常成熟，不需要重新設(shè)計。系統(tǒng)中設(shè)計了藍牙喇叭來連接手機，實現(xiàn)導(dǎo)航語音的播放，使用前將藍牙信號配對好，使用中無需進行其他設(shè)置。

圖1 智能盲杖系統(tǒng)構(gòu)造

2 硬件選擇

2.1 單片機處理器

單片機作為系統(tǒng)的計算與控制中心，在智能盲杖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量不是特別大，因此，考慮采用AT89C55單片機。AT89C55是一種低功耗，高性能的8位CMOS單片機，與業(yè)界標準80C51指令集與引腳完全兼容，內(nèi)部有256字節(jié)的RAM，20字節(jié)程序存儲器，32個I/O端口，3個16位定時器，8個中斷源。

2.2 語音模塊

作為系統(tǒng)的輸出接口，語音模塊有多種選擇，本系統(tǒng)采用科大訊飛推出的一款高性價比的中文語音合成芯片，型號為XFS3031CNP。該芯片通過UART接口接收待合成的文本，把文本合成為語音輸出，可以采用GB2312、GBK、BIG5和UNICODE四種編碼方式。芯片支持英文字母的合成，遇到英文單詞時按字母方式發(fā)音。另外，芯片還具有智能文本分析功能，對常見的數(shù)值、電話號碼、時間日期、度量衡符號等格式的文本，芯片能夠根據(jù)內(nèi)置的文本匹配規(guī)則進行正確的識別和處理。系統(tǒng)的語音模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 語音模塊結(jié)構(gòu)

2.3 GPS/北斗模塊

為了精確獲得當前的定位信息，系統(tǒng)通過和芯星通生產(chǎn)的UM220定位芯片，支持GPS/北斗雙系統(tǒng)來實現(xiàn)雙模定位。UM220內(nèi)置6軸MEMS器件，可直接輸出GMSS與MEMS組合定位結(jié)果。模塊通過天線獲取信號后支持TXD、RXD串口輸出，方便信息處理。UM220結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)置有啟動按鈕，每次按下按鈕，觸發(fā)軟件中的中斷，利用語音播報模塊向使用者播報位置信息。

圖3 UM220結(jié)構(gòu)圖

2.4 超聲傳感器

超聲波測距、避障在機器人領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的運用。超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)射出超聲波，遇到障礙物會產(chǎn)生回波，接收裝置接收到回波。從發(fā)射出超聲波到接收到超聲波，之間的時間差為

T

，根據(jù)

T

可以計算出盲杖與障礙物之間的距離

S

，其計算公式如下。

式中，

C

為超聲波在空氣中的傳輸速度。當距離

S

小于限定值

SL

之時，蜂鳴器會發(fā)出報警。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，利用KeiluVision4將代碼編譯成HEX文件，通過燒錄軟件將編譯后的HEX文件寫入單片機，單片機上電執(zhí)行代碼邏輯。

盲杖使用開關(guān)打開之后，單片機上電并對各個模塊進行初始化。超聲避障處理是一個循環(huán)，每隔0

.

2秒計算障礙物的距離，如果距離超過設(shè)定的警戒值，利用蜂鳴器觸發(fā)報警。系統(tǒng)超聲避障的處理流程如圖4所示。

圖4 超聲避障流程

定位、語音播報通過按鈕觸發(fā)中斷實現(xiàn)，使用者按下按鈕，中斷函數(shù)從GPS

/

北斗模塊中獲取定位信息，利用語音合成模塊向使用者播報定位信息。中斷執(zhí)行結(jié)束之后，重新回到超聲避障循環(huán)處理，為使用者提供避障服務(wù)。中斷處理流程如圖5所示。

圖5 定位播報流程

4 總結(jié)

文章設(shè)計了一種基于單片機的智能盲杖系統(tǒng)，通過超聲模塊實現(xiàn)障礙物自動報警，利用支持GPS

/

北斗雙系統(tǒng)的定位芯片實現(xiàn)定位并進行語音播報，豐富了盲杖的功能，在一定程度上實現(xiàn)了盲杖使用的智能化。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，單片機與各模塊的成本低廉?；趩纹瑱C的智能盲杖系統(tǒng)，為盲杖的功能擴展提供了思路，為進一步改善盲杖的功能提供了探索。