梁秋艷，葛宜元，牛國玲

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江 佳木斯154007)

0 引 言

中國是世界上盲人最多的國家，并且每年新增大約45 萬盲人，如此多的盲人將成為一個不可忽視的群體，他們的生存受到社會廣大的關注.隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市中的交通越來越繁忙，而且城市中的盲道屢屢遭到侵占或者破壞，這對于出外行走的盲人無疑造成了巨大的安全隱患.如何解決這些安全隱患顯得無比的迫切與重要［1］.

到目前為止，輔助盲人日常出行的工具是拐杖和導盲犬.普通的拐杖雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是存在著安全性能低、功能單一的缺點，例如盲人無法發(fā)現(xiàn)身邊的懸掛障礙物、盲人走失時無法快速準確找到其具體位置等.如果利用導盲犬進行導盲，則存在培訓導盲犬難度大、時間長、成本高、犬的壽命有限、日常消耗等問題.針對以上各種問題，研制一種能有效輔助盲人安全行走的智能拐杖是十分必要的.

1 整體設計與工作原理

新型智能盲人拐杖示意圖如圖1 所示.

新型智能盲人拐杖如圖1 所示，盲人將手腕放置于鐵磁扣中，鐵磁扣上的脈搏傳感器經(jīng)置于杖桿上的脈搏模塊實時監(jiān)測盲人脈搏，當盲人脈搏頻率異于健康情況下的脈搏頻率時，CPU 模塊判斷盲人是否出現(xiàn)健康異常情況，若為是則發(fā)出危險報警信號.正常行走時，攝像頭模塊在視頻范圍內(nèi)對盲人周邊情況進行圖像采集，并將采集到的路況信息傳輸?shù)娇刂破髦羞M行處理，達到視覺檢測的目的.當盲人周圍出現(xiàn)懸掛障礙物時，超聲波模塊會準確測得障礙物的距離，通過藍牙模塊告知盲人及時避障.GPS 模塊實時采集地理信息，當盲人走失或有危險時盲人家屬可準確找到盲人所在位置.此外，本設計采用的攝像頭周圍安有LED 燈，光線不足時可開啟LED 燈為攝像頭補充光線的同時也避免他人對盲人的碰撞［2］.

圖1 新型智能盲人拐杖設計示意圖

2 硬件設計與實現(xiàn)

2.1 脈搏傳感器

脈搏傳感器要完成實時監(jiān)測盲人脈搏的目的，與預先設定的正常脈搏范圍進行對比，如果超出正常范圍則可能是盲人身體出現(xiàn)不健康狀況，此時應發(fā)出報警信號.本設計采用具有較高靈敏度、高性能低成本的SC0073 型動態(tài)微壓脈搏傳感器，能夠精確的采集盲人脈搏波的變化情況.

脈搏波信號采集的精準性主要取決于脈搏傳感器的前置放大電路，SC0073 型脈搏傳感器前置放大電路的核心器件采用單芯片儀表放大器AD620，可以滿足對輸入、輸出阻抗及共模抑制比的要求.

AD620 的簡化示意圖如圖2 所示［3］，采用經(jīng)典的三運放改進設計，單芯片結(jié)構(gòu)和激光晶圓調(diào)整允許對電路原件進行嚴格匹配和跟蹤，確保此電路具有高性能的特性.輸入三極管Q1 和Q2 提供一路高精度差分對雙極性輸入，使得輸入偏置電流減小10 倍，反饋回路可將輸入電壓作用于外部增益設置電阻上，單位增益減法器A3 用來消除任何共模信號，以獲得折合到REF 引腳電位的單端輸出.前置放大電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示.

圖2 AD620 原理圖

圖3 前置放大電路

采用HC－SR04 型超聲波模塊，對前方障礙物進行檢測，并在前方發(fā)現(xiàn)障礙物時報警.典型工作電壓為5V，超小靜態(tài)工作電流小于2mA，感應角度不大于15 度，探測距離為2cm－400cm，高精度可達0.3cm，盲區(qū)(2cm)超近，可完全謙容GH－311防盜模塊［4～5］.超聲波及脈搏監(jiān)測模塊集成實物圖如圖4 所示.

圖4 超聲波及脈搏監(jiān)測模塊

2.2 攝像頭模塊

攝像頭采用TR001 型彩色CMOS 攝像頭，采像分辨率為640×480，最大分辨率720P，聚焦3.0mm，最大儲存幀率15 幀每秒(VGA)，玻璃鏡頭.5V 供電，電源電壓低，方便配置.可插入內(nèi)存卡，實時保存數(shù)據(jù)，最高支持8G 內(nèi)存可以持續(xù)8 天.攝像頭有120 廣角，視頻范圍廣，采集數(shù)據(jù)多.圖像壓縮技術(shù)好，智能壓縮.帶有12 顆940nm 紅外LED燈，采用低度鏡頭，夜間補光，色差小，不會發(fā)出紅光，夜視效果2 ～3 米.外接無線網(wǎng)卡，采用3G 信號無線傳輸信號，如圖5 所示.

圖5 攝像頭模塊

2.3 GPS 定位模塊

采用捕獲和跟蹤靈敏度較高UBLOX6 型定位芯片進行盲人位置定位，實時明確盲人的具體位置，并在盲人發(fā)出報警信號時及時找到盲人所處位置.該定位模塊在信號微弱時可實現(xiàn)加速啟動，自動將位置數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)上，通過網(wǎng)絡定位位置，如圖6 所示.

圖6 GPS 定位模塊

2.4 報警電路

蜂鳴器與家用電器上面的喇叭在用法上有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL 電平不能驅(qū)動蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大電路來驅(qū)動蜂鳴器.

蜂鳴器的正極性的一端接+5V 電源，另一端聯(lián)接到三極管的集電極，三極管基集由單片機的P3.7 管腳控制，當P3.7 管腳輸出高電平時，三極管導通，驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出聲音.當P3.7 管腳輸出低電平時，三極管截止，蜂鳴器斷電，不發(fā)出聲音.其電路如圖7 所示:

圖7 報警電路

2.5 外形設計

對智能拐杖外形采用一體化設計，把手處設計了人機曲線，即使盲人長期使用手部也不會產(chǎn)生僵硬感［6］.采用陶瓷白作為外形顏色，美觀大方.拐杖配有手環(huán)，防止盲人找不到拐杖，手環(huán)配有磁扣方便解帶，底部采用橡膠材質(zhì)，減震防滑，如圖8 所示.

3 軟件設計

正常情況下，微處理器處于待機狀態(tài)，攝像頭將采集來的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)卡將圖像數(shù)據(jù)傳送到電腦客戶端，進行實時畫面監(jiān)控.拐杖自身配有超聲波傳感器，對前方障礙物進行檢測，并在前方發(fā)現(xiàn)障礙物時報警.發(fā)生意外時，按下求助鍵時微處理器執(zhí)行中斷程序，定位模塊將位置信息上傳到網(wǎng)上，然后通過網(wǎng)絡地圖定位位置.脈搏傳感器實時采集脈搏波信號，經(jīng)濾波、放大、整形后通過單片機的外部中斷進行獲取，最終在數(shù)碼管上顯示并自動儲存這些數(shù)據(jù)［7］，檢測健康情況，在健康出現(xiàn)問題時報警，程序流程圖如圖9 所示.

圖8 智能拐杖外形設計

圖9 程序流程圖

4 結(jié) 論

針對現(xiàn)有盲人拐杖存在的不足，本設計在盲人拐杖上加裝了超聲波及脈搏監(jiān)測模塊，通過無線語音導航信息使盲人可輕松避開懸掛的障礙物并對盲人脈搏情況進行實時監(jiān)控，出現(xiàn)危險時及時報警.通過GPS 模塊引導盲人準確到達目的地并可快速定位盲人位置.在杖身上固定周圍附有LED燈的攝像頭，對盲人附近路況信息進行視覺監(jiān)測與處理.最后，對智能拐杖的外形進行了人性化設計，美觀大方，使用方便.

［1］ 王冠生，鄭江華，等.盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用綜述［J］.計算機應用與軟件，2012，12.

［2］ 梁秋艷，牛國玲，等.基于TRIZ 理論的智能盲人拐杖創(chuàng)新設計［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2014，27(3):29－31.

［3］ 劉濤，趙艷飛，劉志剛.基于STC89C52 的多通道脈搏采集系統(tǒng)設計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(15):150－154.

［4］ 魏慶麗，許鵬，等.基于MSP430 的GPS 定位智能拐杖設計［J］.吉林大學學報(信息科學版)，2012，30(5):445－449.

［5］ 方仁杰，朱維兵.基于GPS 定位與超聲波導盲拐杖的設計［J］.計算機測量與控制，2011，19(5):1154－1157.

［6］ 陳言.一種多功能智能拐杖的設計［J］.藝術(shù)與設計，2010:209－210.

［7］ 郭天祥.新概念51 單片機C 語言教程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.