基于STM32傳感技術的智能防跌倒的導盲鞋設計

許華璽，朱奧，陳正良

（安徽三聯(lián)學院，安徽合肥，230601）

0 引言

隨著科技的不斷進步，如今的智能手機能夠幫助盲人解決生活中的一些問題，但為盲人設計的智能產(chǎn)品不多。在日常生活中，更多的盲人選擇留在家里而很少外出。面對日益嚴峻的生存考驗，盲人的出行問題引起了社會廣泛的關注。跌倒是對盲人的身心健康產(chǎn)生影響的主要因素。為了讓盲人在社會中更好地生存，本研究專門設計并實現(xiàn)了一種集避障、GPS定位、語音報警等多功能于一體的防跌倒導盲鞋，盲人穿上后可以在路上安全地行走。

盲人跌倒有很多種影響因素。首先，從身體因素來講，盲人視力較弱，無法看清路面情況，是主要因素。其次，特別是老年視障者，這與其年歲高、身體弱、身體機能減退、肌肉萎縮等有關。最后，從外界因素來講，如果周圍環(huán)境出現(xiàn)了突變，視障人士無法適時做出正確反應并維持身體平衡，很有機會摔倒。而且，人們在實際生活中會看到一些盲道被人占用?？偠灾?，視覺障礙者跌倒的原因可歸結為以下幾點：

①老年人由于歲數(shù)的增加，其身體各項功能都出現(xiàn)了顯著的變化，由于存在骨骼肌系統(tǒng)機能衰退，從而引起肌肉、關節(jié)等機能的下降，移動能力減弱了，加上盲人看不見東西，導致盲人走路不穩(wěn)，然后下肢無力跌倒了。

②在周圍環(huán)境因素方面，視覺障礙者容易在以下情形跌倒，例如地面板磚光滑、道路不平坦潮濕等。

③占用盲道，生活當中我們會看到一些盲道由于較少的使用而被占用，所以一些人會用來停車或者是在上面行走。

1 智能防跌倒導盲鞋的原理

本文設計的一種具有語音報警功能的智能防跌倒導盲鞋具體設計思路如圖1所示，主要由STM32單片機、超聲波模塊、語音模塊、4G DTU模塊、GPS定位模塊和電源部分組成[1]。該裝置主要是通過超聲波傳感器檢測正前方距離，完成警報和避障作用。盲人在常規(guī)走路時不一定一直是水平的，歪斜的時候需要精確測量設備與地面之間的距離，融合陀螺儀的角度信息可以準確地判斷出地面距離或是阻礙物距離，保障盲人的安全。假如分辨出的結果是阻礙物距離，導盲鞋會發(fā)出報警的聲音。通過GPS定位裝置，能夠獲得當前的緯度和經(jīng)度信息，融合地圖衛(wèi)星數(shù)據(jù)信息得到盲人的地理位置。那樣，盲人迷了路的時候就可以聽到設備播報所在位置。4G DTU模塊可以通過網(wǎng)絡獲得地圖信息后，將位置信息上傳至云，親人可以通過網(wǎng)絡看到盲人的當前位置。通過以上模塊的組合，實現(xiàn)了避障、語音播報和遠程查看位置的功能[2]。

圖1 總體方案設計圖

2 整體結構設計

■2.1 主控部分

本設計采用的主控芯片型號為STM32F103C8T6，其功耗低，價格與家族其他芯片相比較低，算力不差。該芯片基于ARM Cortex-M內核，具有高效處理能力，可以實現(xiàn)更為復雜的算法和更加靈活的控制策略。同時，它具備豐富的外設接口資源，如2個SPI總線協(xié)議、2個IIC總線協(xié)議、3個USART串口、1個CAN通信、37個可控制I/O口以及2個12位的ADC采集通道、外加多種定時器等。此外，該芯片工作電壓為2V～3.6V，有64KB的程序存儲容量，這樣可以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

■2.2 電源部分

該設計是一種移動智能可穿戴設備，通常應用鋰電池為該設備供電[3]?，F(xiàn)階段鋰電池單個電壓一般為3.7～4.2 V，但GPS模塊、超聲波模塊等都是5V供電，因此本文選擇市面上的5V鋰電池組。本設計采用的5V鋰電池組是一種可充電電池，它主要依靠Li+在正、負極之間移動來工作。充電時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。另外，鋰電池因具有重量輕、無記憶效應等特點被許多人用作電子設備的電源。

■2.3 傳感器部分

本設計采用HC-SR04超聲波測距模塊來實現(xiàn)測距的功能，其范圍2cm～400cm完全可以適應設計的要求，并且測距精度高。超聲波傳感器在進行測距時，其發(fā)射部分會向前方發(fā)射一次超聲波并開啟計時。超聲波向周圍空氣中擴散，如果在途中遇到障礙物，超聲波會被反射回來，傳感器則會在收到返回的聲波信號時停止計時[4]。根據(jù)測算聲波在空氣中的飛行時間，可以獲得障礙物之間的距離。

為了讓導盲鞋實現(xiàn)防跌倒功能，陀螺儀使用MPU6050模塊，其內部整合了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。IIC數(shù)據(jù)通信接口讀取到MPU6050的6軸原始數(shù)據(jù)，然后再利用STM32進行濾波、數(shù)據(jù)處理和計算，就能得到角度信息和加速度信息。使用陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)，可以監(jiān)測盲人的步行情況，并根據(jù)盲人的步頻、步幅等信息統(tǒng)計步數(shù)。同時，通過檢測加速度計的信號，還可以及時發(fā)現(xiàn)盲人是否出現(xiàn)了摔倒風險，并向盲人發(fā)送相應的警告信息。

因為盲人在行走過程中，導盲鞋的鞋面方向可能與地面不一致，這樣面向前方的超聲波就很容易探測到地面，進而觸發(fā)了聲音報警。為了解決這個問題，我們對陀螺儀進行設置和校準。首先，在設備上電后，獲取陀螺儀參數(shù)并將其設定為初始狀態(tài)。然后，我們可以根據(jù)當前角度和初始角度的誤差來限制測距條件。因此，只有在當前角度和初始角度誤差±15°以內時才能進行實時測距。

盲人無法看清路面，為了方便他們能夠知道自己當前的情形，本設計通過語音播報的方式告知他們。其原理是利用文本轉換語音芯片，對傳感器收集的文本數(shù)據(jù)交給STM32處理，轉化成語音信號后由藍牙語音傳輸模塊無線傳輸。本設計采用CSR8635藍牙立體聲音頻模塊，該模塊支持A2DP、AVRCP、HFP、ACC等。但因為目前市面上的語音芯片數(shù)量眾多，同時還需要考慮和STM32主控芯片之間的兼容，而且也必須與現(xiàn)有的CSR8635藍牙立體聲音頻模塊進行比較好的適配，所以通過分析最終確定了tts語音文本合成模塊。語音播報電路原理圖如圖2所示。

圖2 語音播報電路原理圖

■2.4 GPS定位部分

GPS定位模塊屬于被動定位，通訊衛(wèi)星不會接收該模塊發(fā)送的信號。通過該模塊實現(xiàn)精確定位的功能，能夠加快盲人出現(xiàn)意外摔倒后的援救速度。在進行GPS定位時，首先需要計算地球與每個衛(wèi)星之間的偽距離，然后通過距離交會法求出接收端的經(jīng)度、緯度、高度等信息。GPS模塊可以通過串行接口輸出NMEA格式的定位信息及輔助信息，提供給用戶查看和利用。

設計采用的是ATK-S1216F8-BD-V23模塊，該模塊是一款高性能的雙模定位模塊，支持北斗在內的絕大多數(shù)衛(wèi)星導航系統(tǒng)，能夠接收到很多的衛(wèi)星信號。模塊核心采用SkyTraq公司的S1216F8-BD模組，具有體積小，功耗低，靈敏度高等特點。

■2.5 4G聯(lián)網(wǎng)部分

聯(lián)網(wǎng)部分采用ATK-M751 4G DTU模塊，它能實現(xiàn)導盲鞋和軟件智能終端的遠程組網(wǎng)。該模塊能夠連通網(wǎng)絡運營商的4G網(wǎng)，利用MQTT的技術為云平臺上傳輸大量數(shù)據(jù)，從而完成了遠距離控制的能力。4G DTU模塊采用串口通信方式獲取數(shù)據(jù)，并與主控芯片STM32F103C8T6自帶的串口通信功能配合使用，使得從主控芯片獲取采集的數(shù)據(jù)變得簡單。

本設備采用MQTT協(xié)議的網(wǎng)絡方式上傳并接收數(shù)據(jù)，通過MQTT協(xié)議聯(lián)網(wǎng)通信能夠極大地提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接，從而降低流量成本。實現(xiàn)MQTT協(xié)議需要客戶端和服務器端通訊完成，在通訊過程中，MQTT協(xié)議中有三種身份：發(fā)布者（Publish）、代理（Broker）（服務器）、訂閱者（Subscribe）。其中，消息的發(fā)布者和訂閱者都是客戶端，消息代理是服務器，消息發(fā)布者可以同時是訂閱者。[6]MQTT傳輸?shù)南⒎譃椋褐黝}（Topic）和負載（payload）兩部分：

（1）Topic，可以理解為消息的類型，訂閱者訂閱（Subscribe） 后，就會收到該主題的消息內容（payload）；

（2）payload，可以理解為消息的內容，是指訂閱者具體要使用的內容。

圖3為MQTT協(xié)議的實現(xiàn)流程。

圖3 MQTT協(xié)議的實現(xiàn)流程

3 系統(tǒng)的軟件設計

■3.1 系統(tǒng)整體程序流程設計

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，得到系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。當系統(tǒng)開始運作時，親人通過手機設置救援電話，當盲人穿上導盲鞋后，各個模塊開始工作，跌倒模塊實時采集數(shù)據(jù)并計算，根據(jù)計算結果判斷盲人是否跌倒，如果判斷出盲人未跌倒，就一直重復檢測，如果檢測到跌倒事故發(fā)生，立即發(fā)出聲音警報并且通知給后臺服務。此時，親人會收到來自app的推送，從而得知盲人跌倒。親人打開app后，找到GPS定位的按鈕并按下，獲取盲人當下的地理位置信息。如果自己此時無法來到盲人跌倒的地方，可以選擇報警按鈕并按下，找到事先存儲的救援電話并發(fā)送位置信息。此外，為了讓盲人家屬快速地掌握app的使用，在界面設計上以良好的互動性與可理解性為設計準則，并盡量地做到簡潔，美觀。

圖4 系統(tǒng)工作流程

■3.2 跌倒檢測系統(tǒng)設計

系統(tǒng)物理框架結構圖如圖5所示，盲人穿上導盲鞋后，通過內置的傳感器實時監(jiān)測人體運動姿態(tài)以獲取盲人的運動數(shù)據(jù)。監(jiān)測過程中，加速度傳感器和陀螺儀會同時采集信號。這些信號在通過濾波處理后，會形成三維空間下的運動參數(shù)。運動參數(shù)經(jīng)過跌倒檢測算法分析后，如果發(fā)現(xiàn)異常，則立即通過語音報警提醒盲人注意安全。同時，GPS定位模塊可以獲取盲人當前的物理位置信息，并且通過Baidu提供的位置解析工具獲得危險發(fā)生的街道等詳細信息。當系統(tǒng)檢測到危險情況后，會把盲人當前的地理位置信息發(fā)送至預設的救援電話，這些信息將通過手機接收并儲存在app中。此時，app會對收到的信息進行處理，獲取到盲人當下的地理位置，并發(fā)送短信給設定的救援電話。另外，app提供實時推送的功能，當導盲鞋配合手機連接app后，親人可以通過實時推送收到最新信息，并迅速在第一時間作出應對。

圖5 系統(tǒng)物理框架結構圖

4 創(chuàng)新點

（1）導盲鞋是為了應對不同場景下的情況而設計，有效保障盲人的安全出行，節(jié)省社會資源和人力資源。

（2）緩解導盲犬現(xiàn)狀：目前，我國導盲犬投入成本大，數(shù)量少，產(chǎn)出率極低，價格高。對于收入不高的盲人群體來說，擁有一只導盲犬，是一件奢侈的事。即使幸運地擁有了一只導盲犬，在生活中，盲人對導盲犬的使用依然會面臨重重困難。而且本文設計的導盲鞋價格不貴。

（3）系統(tǒng)遠程操作簡單，用戶只需設置多個救援電話以備不時之需。導盲鞋支持與手機平臺連接，實時監(jiān)控盲人的位置信息，還支持數(shù)據(jù)主動推送和數(shù)據(jù)觸發(fā)報警。

（4）位置信息提供多種查看方式，如微信小程序、手機app等。

5 結語

本文設計了一種集避障、GPS定位等多功能的防跌倒導盲鞋，擬解決盲人安全出行的問題。該設計的創(chuàng)新點在于沒有過多地使用社會資源和人力資源，用簡單的元件、電路解決了盲人由于盲道被占、環(huán)境方面等因素影響出行的問題。此外，防跌倒的導盲鞋在設計上還需要考慮其他的因素，如外形是否美觀、穿著是否舒適等。通過該設計，盲人能夠更好地融入當下的生活，感受到社會給予的關心，從而提高他們的生活質量。