基于單片機(jī)的智能導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)

張彬　王石　蔡程飛　李心語　尹衍玉

關(guān)鍵詞： 超聲波傳感器；導(dǎo)盲杖；OneNET；語音合成；微信小程序

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2023）20-0132-03

0 引言

視覺障礙使盲人的活動(dòng)受到很大的限制，導(dǎo)盲產(chǎn)品作為能夠便利出行的重要工具，能夠協(xié)助視障人士安全出行，更好地融入社會(huì)[1]。本文設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲杖，通過STM32主控，采用溫度傳感器測量溫度、超聲波傳感器監(jiān)測是否存在路障，通過蜂鳴器和語音播報(bào)模塊語音播報(bào)，采用光敏傳感器檢測光照強(qiáng)度，采用GPS模塊定位并通過ESP8266上傳數(shù)據(jù)至OneNET云平臺(tái)，方便第三方查看位置。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲杖系統(tǒng)中主要由STM32主控部分、超聲波測距模塊、測溫模塊、語音播報(bào)模塊、光敏模塊、蜂鳴器模塊、GPS模塊、Wi-Fi模塊、OneNET 云平臺(tái)和小程序模塊組成。導(dǎo)盲杖以STM32單片機(jī)為核心控制各個(gè)模塊[2]。超聲波模塊用于檢測是否有障礙物，語音播報(bào)模塊用于語言播報(bào)當(dāng)前環(huán)境溫度和提示障礙物，測溫模塊用于測量環(huán)境溫度，蜂鳴器模塊用于障礙物報(bào)警，光敏模塊用于測量當(dāng)前光照強(qiáng)度，判斷當(dāng)前是否處于黑夜，黑夜亮LED燈，GPS用于定位當(dāng)前位置，Wi-Fi模塊用于將數(shù)據(jù)上傳至OneNET 云平臺(tái)。小程序模塊用于第三方位置查看。系統(tǒng)整體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由STM32主控部分、超聲波測距模塊、語音播報(bào)模塊、光敏模塊等部分組成。硬件設(shè)計(jì)中最為重要的是超聲波傳感器和光敏傳感器。

2.1 超聲波傳感器

本設(shè)計(jì)需要傳感器去測量障礙物，測距是本次設(shè)計(jì)的重要組成部分。從最大探測距離、方向性、響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境適應(yīng)性各方面綜合考慮，在精度要求不高的條件下，選用成本較低、適用于短程測量的超聲波測距模塊較為合適。HC-SR04超聲波傳感器可提供2～400cm 非接觸式距離傳感功能，測距精度可達(dá)3mm。HC-SR04超聲波傳感器包括控制電路、超聲波發(fā)射器和接收器。原理圖如圖2所示。

2.2 光敏傳感器

對(duì)外界光亮強(qiáng)度的檢測需要用到光敏傳感器。光敏傳感器是一種感光器件，它把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。它的靈敏度與可見光相近，包含了紅外和紫外線兩種波長。光刻膠是對(duì)外界光線最敏感的部件，一般用于檢測周圍的光，可觸發(fā)單片機(jī)或繼電器。該模塊可以與單片機(jī)直接連接，通過單片機(jī)來檢測高電平，以探測環(huán)境光的亮度變化。原理圖如圖3所示：

3 終端應(yīng)用設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)上，首先進(jìn)行設(shè)備初始化，測量當(dāng)前溫度并語音播報(bào)當(dāng)前溫度，進(jìn)行超聲波測距，當(dāng)距離小于設(shè)定的值時(shí)，蜂鳴器響起并語音播報(bào)，其中測距的優(yōu)先級(jí)高于測溫。測量光照強(qiáng)度，判斷測量值是否為1，為1時(shí)燈泡亮藍(lán)光，否則燈泡滅。配置Wi-Fi模塊，進(jìn)行ESP8266初始化，連接熱點(diǎn)，接入云平臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)獲取經(jīng)緯度，將獲取的數(shù)據(jù)通過EDP協(xié)議上傳至OneNET，可在云平臺(tái)查看數(shù)據(jù)流。掃碼進(jìn)入小程序，登錄OneNET賬號(hào)，查看位置顯示。主程序流程圖如圖4所示。

終端應(yīng)用主要包括以下功能模塊：

超聲波測距模塊、光敏模塊、測溫模塊與語音播報(bào)模塊和GPS模塊。各模塊實(shí)現(xiàn)的功能如下：超聲波測距模塊：實(shí)現(xiàn)路障檢測，和語音模塊結(jié)合可提醒盲人。

光敏模塊：實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲杖在昏暗環(huán)境下燈光提示，提醒車輛行人避讓。

測溫模塊與語音播報(bào)模塊：通過語音播報(bào)更好地為盲人提供溫度信息和路障信息等。

GPS模塊：實(shí)現(xiàn)盲人實(shí)時(shí)定位。

3.1 超聲波測距模塊程序設(shè)計(jì)

傳感器通過超聲波來計(jì)時(shí)，超聲波探頭向外發(fā)送超聲波，開始計(jì)時(shí)，等待檢測到物體后反射回來，另一個(gè)超聲波接收器探頭接收返回的高電平信號(hào)，停止計(jì)時(shí)獲取信號(hào)傳輸時(shí)間[3]。如圖4流程圖所示，首先進(jìn)行硬件初始化，超聲波開始測距，通過獲取到的時(shí)間（往返距離需除以2） 利用距離=速度×?xí)r間，計(jì)算出當(dāng)前距離障礙物的距離，其中超聲波的傳輸速度約為340m/s。如果測得障礙物距離少于設(shè)定的1m，蜂鳴器響并語音播報(bào)“前方有障礙物請(qǐng)注意”提醒盲人注意障礙物[4]。超聲波測距流程圖如圖5所示：

3.2 光敏模塊程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲杖在昏暗環(huán)境下亮燈提醒車輛行人避讓，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，模塊對(duì)周邊環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行探測，當(dāng)環(huán)境光照強(qiáng)度低于設(shè)置閾值時(shí)輸出高電平，LED檢測到光敏模塊輸出的高電平，LED燈亮用于警示他人；光照強(qiáng)度大于設(shè)置閾值時(shí)輸出低電壓，LED會(huì)探測到光敏模塊的輸出信號(hào)，LED燈熄滅。光敏模塊流程圖如圖6所示。

3.3 測溫模塊與語音播報(bào)模塊程序設(shè)計(jì)

測溫模塊中，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后將器件放置在周圍的環(huán)境中，通過測量周圍的溫度來進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換。分辨率為0.062 5，轉(zhuǎn)換后所得的信息需要變換成電信號(hào)或其他形式的信息輸出，通過語音模塊轉(zhuǎn)換成語音播報(bào)當(dāng)前環(huán)境溫度。測溫的流程圖如圖7 所示。

語音播報(bào)模塊中，首先將系統(tǒng)初始化，測量當(dāng)前環(huán)境溫度，語音播報(bào)出來，當(dāng)檢測到前方有障礙物時(shí)，語音播報(bào)提示[5]。當(dāng)檢測到障礙物和測量溫度二者同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，障礙物的優(yōu)先級(jí)高于溫度。語音播報(bào)模塊流程圖如圖8所示。

3.4 GPS 模塊設(shè)計(jì)

為獲取盲人定位，需進(jìn)行GPS模塊設(shè)計(jì)[6]。設(shè)備上電初始化，通過模塊獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取時(shí)間經(jīng)緯度信息，處理經(jīng)緯度信息，判斷數(shù)據(jù)是不是有用數(shù)據(jù)，若為有用數(shù)據(jù)修改GPS數(shù)據(jù)，若不是有用數(shù)據(jù)則繼續(xù)獲取GPS數(shù)據(jù)，將獲取的GPS經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化成地圖上的經(jīng)緯度信息顯示[7]。GPS模塊設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示：

4 系統(tǒng)功能測試

完成系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)后，本章將對(duì)測距模塊和光敏模塊進(jìn)行功能測試，檢測設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲杖能否實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。

4.1 測距測試

供電開機(jī)后等候，當(dāng)前方障礙物距離小于設(shè)定的距離時(shí)，蜂鳴器響并且語音模塊語音播報(bào)前方有障礙物，障礙物播報(bào)的優(yōu)先級(jí)高于測溫。打開串口助手，選擇串口，波特率改為9 600，打開串口，會(huì)看到串口顯示測量到的障礙物距離以及當(dāng)前環(huán)境溫度的具體數(shù)值[8]。數(shù)據(jù)顯示如圖10所示：

從表1中的測量數(shù)據(jù)中可以看出，測得的實(shí)際距離與標(biāo)記距離誤差不大，在規(guī)定范圍內(nèi)。

因?yàn)槊と藢儆谔厥馊巳海瑘?bào)警距離也需要盡量設(shè)置得符合盲人使用，既不能太近也不能太遠(yuǎn)，要給盲人充足的時(shí)間躲避障礙物。表2通過幾組距離數(shù)據(jù)分析對(duì)比挑選出了最適合的距離為1m。

4.2 光敏測試

供電開機(jī)，將器件放置在光線較暗處，傳感器檢測到環(huán)境光線達(dá)不到設(shè)置的閾值時(shí)LED燈亮藍(lán)光，如圖11所示。將器件放置在光線較亮的地方，LED燈不亮，如圖12所示。

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲杖實(shí)現(xiàn)了基本的功能需求，設(shè)計(jì)可以幫助盲人獲取環(huán)境溫度檢測障礙物，語音播報(bào)溫度以及障礙物提示，同時(shí)若是夜晚出行，LED燈亮提醒車輛行人注意避讓。GPS可以定位顯示，數(shù)據(jù)可上傳至OneNET云平臺(tái)，第三方監(jiān)護(hù)人可以通過微信小程序查詢具體定位顯示。