基于STM32 的盲人避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 磊，李自成，吳 卓

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，武漢 430205）

據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)至少有1400萬(wàn)盲人，在出行方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。視力障礙導(dǎo)致他們的機(jī)動(dòng)性降低、獨(dú)立出行能力受限，增加了受到意外傷害的可能性。為了改善盲人的生活，人們運(yùn)用現(xiàn)代電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了多種幫助盲人出行的產(chǎn)品。包括電子導(dǎo)盲器、電子導(dǎo)盲輪椅、電子導(dǎo)盲拐杖、導(dǎo)盲機(jī)器人等。電子導(dǎo)盲器在早期導(dǎo)盲設(shè)備中較為常見(jiàn)，包含多個(gè)超聲波測(cè)距模塊，可探測(cè)各個(gè)方向的障礙物，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行反饋[2]。電子導(dǎo)盲輪椅包含避障模塊、循跡模塊，可探測(cè)各個(gè)方向的障礙物，通過(guò)APP 可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[3]；電子導(dǎo)盲拐杖具有傳統(tǒng)導(dǎo)盲拐杖的外觀，集成了GPS 模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊等，具有障礙探測(cè)、語(yǔ)音提示、跌倒報(bào)警等功能[4-6]；導(dǎo)盲機(jī)器人具有獨(dú)立行走的能力，主要原理是機(jī)器人對(duì)前方環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，然后將分析結(jié)果再對(duì)盲人進(jìn)行提示[7-9]。

這些電子導(dǎo)盲產(chǎn)品的種類較多，但具有實(shí)用性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)的較少。針對(duì)上述問(wèn)題，本項(xiàng)目旨在結(jié)合各種方案的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處，結(jié)合TOF（time of flight）測(cè)距技術(shù)、USB 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種價(jià)格低、功耗小、易攜帶、且功能完備的穿戴式導(dǎo)盲設(shè)備，為盲人的日常出行保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)整體框架

本文系統(tǒng)按照功能可劃分為運(yùn)動(dòng)感知、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示、結(jié)果反饋5 個(gè)部分，系統(tǒng)的整體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

運(yùn)動(dòng)感知部分負(fù)責(zé)通過(guò)三軸加速度傳感器對(duì)視障使用者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別；數(shù)據(jù)采集部分利用激光測(cè)距傳感器對(duì)使用者前方障礙物的距離進(jìn)行初步的測(cè)量；數(shù)據(jù)傳輸部分通過(guò)USB 有線傳輸?shù)姆绞綄?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送以及接收；數(shù)據(jù)顯示部分主要負(fù)責(zé)對(duì)處理后的數(shù)據(jù)在手機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；結(jié)果反饋部分通過(guò)震動(dòng)、響鈴或語(yǔ)音播報(bào)的方式對(duì)視障使用者進(jìn)行提醒。整套硬件設(shè)備具有體積小、功耗低等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用手機(jī)供電，選用的各個(gè)硬件均為低功耗模塊，同時(shí)也采用了低功耗處理，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間使用。

2 避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件工作流程如圖2 所示。硬件通過(guò)對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)來(lái)判斷是否喚醒設(shè)備，當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后進(jìn)行距離檢測(cè)，并向主控芯片發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2 硬件工作流程Fig.2 Hardware work flow chart

2.1 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

LIS2DW12TR 是一種超低功耗的高性能三軸線性加速度計(jì)，由于其超小的尺寸和超低的功耗，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備以及穿戴設(shè)備等。運(yùn)動(dòng)檢測(cè)部分電路具體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)檢測(cè)電路Fig.3 Motion detection circuit

當(dāng)視障人群佩戴硬件設(shè)備，LIS2DW12TR 檢測(cè)三軸加速度值的變化，與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較進(jìn)而分析佩戴者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。計(jì)算閾值的公式如下所示：

式中：TH 表示閾值；FS 為初始化時(shí)設(shè)置的值。當(dāng)傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得加速度值大于計(jì)算得到的閾值，判斷用戶當(dāng)前為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；反之則處于靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2 距離檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

TOF 傳感器具有體積小、誤差低、工作距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。VL53L1X 可在4 m 范圍內(nèi)精確測(cè)距，距離檢測(cè)電路如圖4 所示。

圖4 距離檢測(cè)電路Fig.4 Distance detection circuit

激光測(cè)距傳感器主要有3 種測(cè)距模式，長(zhǎng)距離測(cè)距模式下最遠(yuǎn)測(cè)量距離360 cm，中距離測(cè)距模式下最遠(yuǎn)測(cè)量距離290 cm，短距離測(cè)距模式下最遠(yuǎn)測(cè)量距離136 cm。3 種模式中，不同的測(cè)距模式可以適應(yīng)不同的光照情況，測(cè)距范圍越小，受光照影響程度越小。

2.3 數(shù)據(jù)采集與傳輸電路設(shè)計(jì)

為了盡可能地降低設(shè)備的成本以及設(shè)備的功耗，系統(tǒng)采用STM32F042G6U6 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理[10]。在同樣的時(shí)鐘8 MHz 下，STM32F042 芯片電流只有4 mA，STM32F103 芯片電流達(dá)到9 mA以上。數(shù)據(jù)采集與傳輸電路如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集與傳輸電路Fig.5 Data acquisition and transmission circuit

傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)I2C 協(xié)議進(jìn)行傳輸，統(tǒng)一發(fā)送至主控芯片進(jìn)行處理和保存。由于測(cè)距傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)量較大，防止終端數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)突變，采用均值濾波的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，公式如下所示：

最終，單片機(jī)通過(guò)USB 串口將均值濾波后的數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP 中，完成硬件與軟件之間的通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

盲人運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)的軟件部分是由Android Studio 開(kāi)發(fā)的一款手機(jī)APP[11]。該系統(tǒng)軟件平臺(tái)可實(shí)時(shí)接收和顯示硬件數(shù)據(jù)并且通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析向使用者做出反饋。為滿足使用者的多樣性，軟件部分設(shè)置了正常模式和特殊模式，家屬可以選擇功能齊全的正常模式，視力障礙群體使用時(shí)則可以選擇已經(jīng)設(shè)定好功能的特殊模式，手機(jī)APP 的操作流程如圖6 所示。

整個(gè)軟件程序按功能可分為5 個(gè)界面，設(shè)備識(shí)別界面、用戶模式選擇界面、特殊模式界面、正常模式界面以及正常模式-模式選擇界面。界面展示如圖7 所示。

圖7 軟件界面Fig.7 Software interface

3.1 設(shè)備識(shí)別界面

硬件識(shí)別界面的主要功能是對(duì)插入的硬件設(shè)備進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)檢測(cè)硬件設(shè)備的VID（vender ID）和PID（product ID）是否與設(shè)定的參數(shù)相同來(lái)判斷所插入的硬件設(shè)備。若相同，則屏幕上會(huì)顯示對(duì)應(yīng)硬件設(shè)備的PID 和VID；反之，屏幕上的信息都會(huì)顯示為空值，同時(shí)手機(jī)會(huì)發(fā)出警告語(yǔ)音提示使用者正確插入設(shè)備。

3.2 用戶模式選擇界面

該界面下有正常模式和特殊模式2 個(gè)按鍵。正常模式操作復(fù)雜，但是適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境狀況操作者自行修改工作模式；特殊模式功能簡(jiǎn)單，但適應(yīng)環(huán)境能力弱。

3.3 特殊模式界面

特殊模式是供視力障礙人群直接使用的一種模式，特殊模式下設(shè)置默認(rèn)的硬件工作模式為長(zhǎng)距離測(cè)距，測(cè)距頻率為200 Hz，震動(dòng)反饋。沒(méi)有復(fù)雜的模式選擇界面，因此操作簡(jiǎn)便。

3.4 正常模式界面

正常模式功能完整，有多種工作模式可供使用者選擇。按下模式選擇按鍵后進(jìn)入模式選擇界面，用戶可在模式選擇界面手動(dòng)選擇所需要的硬件工作模式。

3.5 正常模式-模式選擇界面

進(jìn)入正常模式的模式選擇界面后，可根據(jù)提示選擇測(cè)距模式，頻率模式以及反饋模式，測(cè)距模式分為長(zhǎng)距離模式、中距離模式和短距離模式，不同的測(cè)距模式具有不同的測(cè)量范圍，光照對(duì)激光測(cè)距傳感器的精度影響較大，在長(zhǎng)距離模式下受光照影響最強(qiáng)，中距離模式次之，短距離模式則幾乎無(wú)影響。使用者可根據(jù)不同的光照情況選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)距模式。除此之外，還有3 種頻率模式和3 種反饋形式可搭配使用。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)采用正常光照條件下的試驗(yàn)場(chǎng)地，實(shí)驗(yàn)人員佩戴硬件設(shè)備，使用者根據(jù)語(yǔ)音提示在APP 上設(shè)置完成硬件工作模式，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。其中硬件設(shè)備如圖8 所示。

圖8 硬件設(shè)備Fig.8 Hardware devices

當(dāng)LIS2DW12TR 三軸加速度傳感器采集到實(shí)驗(yàn)人員的運(yùn)動(dòng)信息后，向STM32 發(fā)送運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指令，STM32 根據(jù)接收到的狀態(tài)指令控制VL53L1X激光測(cè)距傳感器啟動(dòng)，開(kāi)始測(cè)量實(shí)驗(yàn)人員與障礙物間的距離。與此同時(shí)，硬件部分通過(guò)USB 接口實(shí)時(shí)向Android 設(shè)備發(fā)送距離數(shù)據(jù)，Android APP 根據(jù)接收到的距離數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

隨著實(shí)驗(yàn)人員移動(dòng)，距離障礙物的距離也越來(lái)越近，當(dāng)距離小于警告閾值且大于危險(xiǎn)閾值時(shí)，手機(jī)會(huì)根據(jù)用戶設(shè)置的反饋模式進(jìn)行相應(yīng)的警告提醒，當(dāng)實(shí)驗(yàn)人員與墻面的距離小于危險(xiǎn)閾值時(shí)，手機(jī)則會(huì)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)提醒。本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的警告范圍為500 mm～1000 mm，危險(xiǎn)范圍為0 mm～500 mm，在一段時(shí)間內(nèi)，時(shí)間與距離的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1 所示。

表1 測(cè)距實(shí)驗(yàn)記錄Tab.1 Distance measurement experiment records

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，此系統(tǒng)只有在檢測(cè)到使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后才開(kāi)始工作，當(dāng)使用者向前運(yùn)動(dòng)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)與前方障礙物的距離，當(dāng)使用者停止運(yùn)動(dòng)超過(guò)一段時(shí)間后硬件部分會(huì)自動(dòng)關(guān)閉激光測(cè)距模塊，同時(shí)關(guān)閉硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將進(jìn)入低功耗模式。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32 的盲人運(yùn)動(dòng)感知避障系統(tǒng)，該系統(tǒng)將硬件與軟件相結(jié)合。利用STM32 低功耗處理器，LIS2DW12TR 低功耗三軸加速度傳感器，VL53L1X 激光測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)了低功耗智能化動(dòng)態(tài)距離檢測(cè)。整套系統(tǒng)具有易攜帶、功耗低、操作簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，可大大減少視力障礙人群出行所消耗的人力物力，提高出行效率。在后續(xù)的研究中，將對(duì)手機(jī)端進(jìn)行優(yōu)化，將視障群體的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋到家人，進(jìn)一步提高該系統(tǒng)智能化能力。