宋勁松,辛政華,胡良益,劉 兵

1.宿州市廣播電視臺,安徽宿州，234000；2.宿州學(xué)院,安徽宿州,234000

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋勁松1,辛政華2,胡良益2,劉 兵2

1.宿州市廣播電視臺,安徽宿州，234000；2.宿州學(xué)院,安徽宿州,234000

基于CC2530和Zigbee協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了子節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器以及協(xié)調(diào)器與子節(jié)點(diǎn)的相互通信。超聲波傳感器節(jié)點(diǎn)以及溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)等可以發(fā)出控制信息至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對控制信息進(jìn)行解析，然后按照指令控制相應(yīng)的各個(gè)其他的傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)地工作；改變了由上位機(jī)應(yīng)用層發(fā)出信息控制消息的發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)了控制地自動化；實(shí)現(xiàn)了智能導(dǎo)盲犬的雛形，有一定的實(shí)用價(jià)值。

CC2530；智能導(dǎo)盲犬；ZigBee協(xié)議；mesh網(wǎng)絡(luò)

為方便盲人出行,導(dǎo)盲犬被訓(xùn)練出來，能識別“過來”“走”“?！钡群唵沃噶?，這在一定程度上給盲人的出行與生活帶來諸多便利。但是，導(dǎo)盲犬的訓(xùn)練時(shí)間長達(dá)18個(gè)月，綜合訓(xùn)練費(fèi)用可高達(dá)3萬美元，超出了普通人的消費(fèi)承受能力[1]。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能導(dǎo)盲犬的研發(fā)引起了人們的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。它正和云計(jì)算一起成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。智能導(dǎo)盲犬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中又一個(gè)新的方向[2]。

1 智能導(dǎo)盲犬的總體架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)智能導(dǎo)盲犬系統(tǒng)集成了基于CC2530的協(xié)調(diào)器、超聲波模塊、酒精模塊、溫濕度模塊、電機(jī)模塊、語音模塊、網(wǎng)關(guān)模塊和GPRS模塊[3-4],為協(xié)助盲人和老年人出行提供一種解決方案，也可以應(yīng)用到醫(yī)療和社會服務(wù)等領(lǐng)域中。

智能導(dǎo)盲犬功能的實(shí)現(xiàn)是通過各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)調(diào)、無線信號的發(fā)送與接收，然后由協(xié)調(diào)器處理數(shù)據(jù)并交由相應(yīng)模塊處理。當(dāng)電源打開時(shí)，協(xié)調(diào)器上的繼電器1就處于閉合狀態(tài)，智能導(dǎo)盲犬前進(jìn)。通過超聲波測得前方障礙物，然后通過無線信號發(fā)送信號，協(xié)調(diào)器接收超聲波模塊發(fā)來的信號，觸發(fā)繼電器2的打開，并且關(guān)閉繼電器1，智能導(dǎo)盲犬后退。通過時(shí)間延遲，小車后退一段距離后，繼電器1閉合，開始轉(zhuǎn)彎并且調(diào)用語音模塊，繼電器2關(guān)閉，這時(shí)前輪的電路導(dǎo)通，小車前進(jìn)，轉(zhuǎn)彎并語音提示。當(dāng)小車轉(zhuǎn)過彎道后，直線前進(jìn)，當(dāng)遇到障礙物時(shí)重復(fù)上述步驟。

在智能導(dǎo)盲犬的工作中，溫濕度、光敏模塊與協(xié)調(diào)器一直處于通信中，當(dāng)測得溫度過高時(shí)，協(xié)調(diào)器采集到信號，調(diào)用蜂鳴器，發(fā)出警報(bào)。當(dāng)測得濕度高于一定值時(shí)，發(fā)出下雨警報(bào)。通過采集光度，判斷路況。

圖1 智能導(dǎo)盲系統(tǒng)原理圖

本系統(tǒng)采用北京奧爾斯電子科技有限公司的協(xié)調(diào)器模塊與無線節(jié)點(diǎn)模塊作為基本的器件，智能導(dǎo)盲犬的整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

2 智能導(dǎo)盲犬的實(shí)現(xiàn)原理

首先智能導(dǎo)盲犬通電系統(tǒng)初始化，接著協(xié)調(diào)器發(fā)起一次自組Mesh網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，并持續(xù)監(jiān)視是否有節(jié)點(diǎn)加入或離開。本系統(tǒng)的自組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)容量包含1個(gè)網(wǎng)關(guān)、1個(gè)協(xié)調(diào)器、0～6個(gè)終端節(jié)點(diǎn)；無線Mesh網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)尋找并加入網(wǎng)絡(luò)；終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，按照協(xié)調(diào)器的要求，發(fā)送本地傳感器信號和狀態(tài)信號(溫度、超聲波測得的距離、濕度、光敏度)。每節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)每0.5秒更新一次。協(xié)調(diào)器將無線網(wǎng)絡(luò)中采集到的信號進(jìn)行解析，發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出特殊信號，并告知協(xié)調(diào)器停止網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，協(xié)調(diào)器將停止整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的工作[5]。

3 智能導(dǎo)盲犬設(shè)計(jì)方案

3.1 基于Z-Stack MESH網(wǎng)的軟件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)遵循模塊獨(dú)立化、信號統(tǒng)一化。各節(jié)點(diǎn)不需要任何有線連接，采用Z-Stack MESH網(wǎng)組網(wǎng)，通過無線傳感節(jié)點(diǎn)相互通信。所有信號處理轉(zhuǎn)發(fā)是協(xié)調(diào)器模塊的主要功能。 本系統(tǒng)在Zigbee協(xié)議的基礎(chǔ)上，為了采用無線傳感器的mesh 網(wǎng)絡(luò),自定義了一種通信結(jié)構(gòu)體，完成多點(diǎn)到多點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。各傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過其他相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),以無線多跳方式相連。當(dāng)協(xié)調(diào)器作為mesh 路由器時(shí)，超聲波傳感器、溫濕度傳感器、酒精傳感器(在其上開發(fā)了電機(jī)模塊)、語音模塊等作為mesh終端。

Mesh路由器除了具有傳統(tǒng)的無線路由器的網(wǎng)關(guān)/中繼功能外,還具有支持mesh網(wǎng)絡(luò)互連的路由功能。Mesh路由器通常具有多個(gè)無線接口,這些無線接口可以基于相同的無線接入技術(shù)構(gòu)建,也可以基于不同的無線接入技術(shù)，系統(tǒng)可擴(kuò)展新的終端。無線mesh路由器可以通過無線多跳通信,以低得多的發(fā)射功率獲得同樣的無線覆蓋范圍。在無線mesh網(wǎng)絡(luò)中,由mesh 路由器互連構(gòu)成無線骨干網(wǎng),這個(gè)無線骨干網(wǎng)再通過其中的網(wǎng)關(guān)mesh路由器與外部網(wǎng)絡(luò)如Internet相連。

Mesh終端也具有一定的mesh網(wǎng)絡(luò)互連和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能，但是一般不具有網(wǎng)關(guān)橋接功能。主要設(shè)計(jì)方法是在工程下的DemoSensor.c文件中的用戶任務(wù)事件處理函數(shù)zb_HandleOsalEvent的函數(shù)體中直接調(diào)用IICControlSensor的，參數(shù)表為IICControlSensor (2,150,resCode_Ultrasonic)。以下以協(xié)調(diào)器和超聲波傳感器編碼為例，簡要說明軟件實(shí)現(xiàn)的過程。

3.2 協(xié)調(diào)器編碼實(shí)現(xiàn)

ZigBee PRO中的子工程CollectorEB-PRO是協(xié)調(diào)器硬件的初始化和收發(fā)功能模塊的實(shí)現(xiàn)程序，主要針對協(xié)調(diào)器上對超聲波傳感節(jié)點(diǎn)信息接收處理函數(shù)zb_ReceiveDataIndication進(jìn)行相應(yīng)的代碼編寫，實(shí)現(xiàn)對采集到的信息進(jìn)行處理，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。

當(dāng)協(xié)調(diào)器模塊啟動后，各子模塊節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器構(gòu)成無線mesh局域網(wǎng)。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到超聲波發(fā)來的信號后，生成系統(tǒng)新定義的消息結(jié)構(gòu)體，便調(diào)用zb_ReceiveDataIndication函數(shù)來處理，并通過“If…else…”語句調(diào)用相關(guān)函數(shù)。

3.3 超聲波節(jié)點(diǎn)模塊編碼實(shí)現(xiàn)

超聲波模塊編碼和協(xié)調(diào)器編碼是同一個(gè)ZigBee PRO中的子工程SensorEB-EndDevice-PRO，是超聲波節(jié)點(diǎn)硬件的初始化和信號采集發(fā)送功能實(shí)現(xiàn)的模塊。超聲波傳感節(jié)點(diǎn)信息采集函數(shù)IICControlSensor的調(diào)用和發(fā)送函數(shù)，調(diào)用生成的新定義的含有控制信息的消息結(jié)構(gòu)體，通過調(diào)用發(fā)送函數(shù)sendReport將消息發(fā)送給協(xié)調(diào)器模塊。

編寫超聲波模塊和分析相應(yīng)的代碼時(shí)，IICControl Sensor中包涵很多節(jié)點(diǎn)的信號采集。在這一部分代碼中，不僅能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本初始化，它還與應(yīng)用層函數(shù)建立了對應(yīng)關(guān)系。

4 智能導(dǎo)盲犬系統(tǒng)測試

首先將組裝完成的導(dǎo)盲犬開啟電源并放在平整的模擬盲道上(前方50 cm處設(shè)有障礙物)，啟動導(dǎo)盲犬前行，當(dāng)導(dǎo)盲犬前行到離障礙物20 cm處時(shí)，超聲波檢測到障礙物，并調(diào)用語音設(shè)備提示即將轉(zhuǎn)彎。同時(shí)超聲波發(fā)送無線信號，協(xié)調(diào)器端接收到無線信號，并解析調(diào)用電機(jī)和繼電器等控制導(dǎo)盲犬的轉(zhuǎn)向過程。由于本系統(tǒng)中CC2530超聲波傳感器僅能探測到40 cm左右距離的障礙物，此距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?qū)とD(zhuǎn)向的需要，故先讓其后退20 cm后再前行轉(zhuǎn)向(圖2)。

圖2 行進(jìn)中的智能導(dǎo)盲犬

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用超聲波測距，探測前方障礙物，一旦發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，即調(diào)用提示音模塊，同時(shí)調(diào)用IIC以無線方式發(fā)送信號；協(xié)調(diào)器接受無線信號并解釋，然后再調(diào)用直流電機(jī)、繼電器等；溫濕度及光敏采集數(shù)據(jù)，檢測環(huán)境是否正常，將信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器。若出現(xiàn)惡劣環(huán)境，協(xié)調(diào)器調(diào)用提示音模塊，告知前方環(huán)境異常。使用者一旦遇到緊急情況，可以按下網(wǎng)關(guān)的求救按鈕，將發(fā)出短信或者電話給相關(guān)人或者部門。

[1]房鑫.基于FPGA技術(shù)的智能導(dǎo)盲犬[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(3)：179-181

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2013-03-18

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“智能導(dǎo)盲犬的設(shè)計(jì)”(201210379006);“基于A900的嵌入式報(bào)警管理系統(tǒng)”(201310379023)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“井下人員定位系統(tǒng)”(201310379083);宿州學(xué)院大學(xué)生科研立項(xiàng)“智能電風(fēng)扇的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”(KYLXLKYB13-31) 。

宋勁松(1969-),江蘇邳縣人,工程師,主要研究方向:無線通訊。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.07.028

TP79

A

1673-2006(2014)07-0090-03