黎文炎+段淑玉

摘要：隨著城市交通的迅速發(fā)展，視障人士的出行面臨著巨大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的盲杖已經不能滿足他們安全出行的需求。為了解決盲人出行難的問題，該文設計了一款智能導盲手杖，該手杖基于Arduino UNO單片機輔以GPS定位模塊、超聲波測距模塊、GSM模塊、語音模塊等，可實現(xiàn)實時定位、遇障報警、發(fā)送短信、撥打緊急聯(lián)系人電話等多種功能。手杖采用語音播報和按鍵操作方式進行人機交互。該智能盲杖功能較齊全，各模塊體積小、成本低，易于規(guī)?；a。

關鍵詞：Arduino 單片機；智能手杖；GPS；GSM；超聲波測距

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）35-0263-03

據(jù)不完全統(tǒng)計，中國存在1400余萬視障人士，社會上與導盲相關的電子產品種類很多，功能越來越完善，各具特點。比如導盲眼鏡、智能車等產品普遍存在。在國外，新加坡國立大學所設計的導盲手杖融入了諸多科技元素，依靠定位系統(tǒng)及感應器等內置設備掌握行進方向[1]。在國內，北京理工大學研發(fā)的導盲手杖通過超聲波檢測障礙物，再通過語音芯片將障礙物信息告知盲人，從而實現(xiàn)避障功能。貴陽學院的古訓[2]等制作了一款導盲手杖原型，能實現(xiàn)定位、障礙物測距以及聲光報警等功能，但不支持撥打和接聽緊急聯(lián)系人電話。

以上電子產品雖然功能完備，但不具備通訊功能，且價格昂貴，不易推廣。盲人數(shù)量一直在增加，研發(fā)一款功能完善、操作簡單、價格低廉的導盲手杖是有必要的。本文設計的導盲手杖基于模塊化設計思想，根據(jù)其功能需求精選市面上成熟的產品模塊進行組裝調試而成，具備GPS定位、GSM通信（發(fā)送短信、撥打電話及接聽電話）、超聲波測距、語音播報等功能，體積小，精度高，成本低，操作簡單，易擴展，便于進一步研究及投產。

1 系統(tǒng)硬件介紹

1） 主控板——Arduino UNO單片機

Arduino UNO單片機是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板[3，4]。UNO以ATmega328為核心處理器，可通過USB接口、外部直流電源插座和電源連接器GND和VIN引腳三種方式供電。采用16MHz晶體振蕩器產生振蕩頻率，同時具有6路模擬輸入和6路PWM輸。通過RX（0號引腳）和TX（1號引腳）進行數(shù)據(jù)串口通信，且包括SPI通信接口。2個外部中斷可同時觸發(fā)、上升沿和下降沿觸發(fā)，有利于控制各個任務優(yōu)先級?？赏ㄟ^按鍵觸發(fā)進行復位，利用ICSP header直接下載程序到ATmega328。因其體積小，拓展容易，程序下載方便，數(shù)據(jù)IO口多，故適合本設計。

2） 超聲波測距模塊——HC-SR04

超聲波測距的原理如圖1所示，超聲波發(fā)射端T發(fā)出超聲波信號，當超聲波信號遇到障礙物反射回來，被接收端R接收，超聲波發(fā)生器與障礙物的距離S計算公式如下：

S=（Δt *v）/2 （1）

其中，Δt為發(fā)出超聲波到接收到返回信號的時間，v為超聲波在空氣中的傳播速度（假設不考慮空氣中的水蒸氣與其他雜物的影響，超聲波在常溫下的傳播速度是340米/秒[5]）。

HC-SR04超聲波模塊性能穩(wěn)定，精度高，測度距離精確，盲區(qū)小[6]，主要應用于測距避障、倒車提醒等場合。該模塊具有VCC、GND、TRIG（控制端）、ECHO（接收端）4個端口。探測距離范圍為2cm-400cm，精確度可高達0.3cm，感應角度不大于15度，因此適用于短距離且偏離角度小的測距。工作原理：通過觸發(fā)TRIG IO口給模塊提供至少10us的高電平（模塊自動發(fā)送8個40KHz的方波），自動檢測信號返回情況，有信號返回時IO口ECHO輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。該模塊通過測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間來計算障礙物距離，如公式（1）所示。本設計通過HC-SR04超聲波模塊和ASR M08-A語音模塊配合使用，實現(xiàn)在設定距離范圍內障礙物提示作用，提醒盲人注意障礙物小心行走。實物如圖2所示。

3） 定位及通信模塊——YIXIN_SIM808_A

采用SIMCOM公司YIXIN_SIM808_A 模塊，該模塊是一款高性能工業(yè)級的GSM/GPRS/GPS三合一模塊且完全兼容Arduino，也方便嵌入到其他 MCU 系統(tǒng)中使用[7]。其中，GPS（Global Positioning System， 全球定位系統(tǒng)）目前主要應用于防盜、行駛路線監(jiān)控、物流車輛監(jiān)控[8]、車輛定位[9]場合，具有定位時間短、定位精度高等特點。GSM/GPRS無線通信適用于全球各地區(qū)，可以低功耗實現(xiàn)語音、短信、彩信和傳真信息的傳輸。在本設計中，該模塊主要實現(xiàn)獲取位置信息、發(fā)送位置信息至指定手機、撥打設定電話、接聽來電等功能，采用串口發(fā)送AT指令與單片機進行通信。

4） 語音模塊——ASR M08-A

ASR M08-A非特定人語音模塊可實現(xiàn)語音識別和語音播報，支持讀取TF卡中語音文件，通過串口輸出與單片機或其他外設進行通信。本設計中使用該模塊的語音播報功能，實現(xiàn)障礙物距離播報、來電提醒、短信發(fā)送情況提示等。在進一步的研究中，可利用其語音識別功能，用語音代替按鍵輸入來控制導盲手杖的各項功能使用。

2 系統(tǒng)軟件設計

本設計以Arduino UNO單片機為主控芯片，結合 YIXIN_SIM808_A 模塊、HC-SR04超聲波模塊、ASR M08-A語音模塊等，實現(xiàn)定位、通信、語音播報、障礙物測距等功能。各模塊具體功能描述如下：

1） Arduino UNO單片機，主控單元，控制著整個系統(tǒng)，處理核心是ATmega328處理器；

2） YIXIN_SIM808_A 模塊，實現(xiàn)GPS定位和GSM通信。通過GPS獲取盲人行走的位置信息，當盲人在行走過程中遇到特殊情況，手動按下手杖的發(fā)送短信按鍵，將一條短信發(fā)送到緊急聯(lián)系人的手機上，短信內容為單片機解析GPS模塊獲取到的定位信息（即經緯度）；也可以按下通話按鍵與指定家人進行通話；同時支持家人撥打手杖上的手機號碼；endprint

3） HC-SR04超聲波模塊， 實時檢測盲人前方障礙物的距離，當檢測到有障礙物后通過與設定的距離進行對比，條件滿足時單片機通過串口向語音模塊發(fā)送指令使語音播放內存卡里面的語音文件；當有電話進來，將停止測距，直到掛斷電話，恢復測距；

4） ASR M08-A語音模塊，進行來電提示、短信發(fā)送情況提醒、距離提示，指導盲人進行操作和安全行走；

系統(tǒng)框圖如圖3所示，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

3 系統(tǒng)測試與分析

本系統(tǒng)采用模塊化思想進行設計，以Arduino UNO單片機為基礎，由 GPS/GSM 模塊、超聲波模塊、語音模塊和電源模塊組成，各模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)智能手杖的定位、通信、障礙物測距、語音提示等功能，系統(tǒng)原理圖如圖5所示。

3.1 GPS定位及短信通知功能調試分析

本設計采用GPS對外出盲人的位置信息進行實時定位以防止其走失。盲人在遇到特殊情況時可按下手杖的按鍵將位置信息通過SIM808的GSM模塊發(fā)送到指定家人的手機上，其連線如圖8所示。同時，GPS獲取的定位信息可以在Arduino IDE串口監(jiān)視窗口中看到。

為測定GPS獲取到的位置信息的準確性，將 “百度地圖”上查詢到的地點位置信息與該模塊獲取的信息作對比，其結果如表1所示。

從表4可以看出，GPS獲取到的位置信息與“百度地圖”上顯示的坐標信息有誤差，誤差產生的原因主要有信號的傳播誤差、接收機誤差等[10]。但該誤差較小，在可接受的范圍內。

再調試位置信息的發(fā)送功能。開啟電源后，待SIM808模塊上的指示燈大約3秒閃爍一次，表示模塊工作正常，此時按下發(fā)送短信的按鍵，等待約5秒，待語音提示“定位發(fā)送成功”，手機接收到GPS定位信息，如圖6所示。

3.2 超聲波測距與語音播報功能調試分析

導盲手杖作為盲人出行的輔助工具，準確測量障礙物距離是其重要功能。本設計通過HC-SR04超聲波測距模塊和ASR M08-A語音模塊來實現(xiàn)障礙物距離提示，其連線圖如圖8所示。

根據(jù)實際情況，設定語音播報距離范圍：從60cm到100cm，每10cm范圍播報相應距離值，100cm—120cm，偶數(shù)距離播報相應的距離值。當超聲波測量到前方障礙物距離與設定相符時，語音模塊播放SD卡的語音文件，提示使用者注意障礙物，避免碰撞。表2、3為超聲波測距精度與語音播報測試結果。

從表2、3可以看出，超聲波在室內和室外所測的距離與實際距離存在一定的誤差，誤差范圍在0-2cm之間。造成這些誤差的原因主要是測量環(huán)境的溫度、濕度等因素帶來的聲速偏差，以及超聲波發(fā)射出與計時器開始計時之間的時間差、回波到達與被檢出之間的時間差等[10]，其中環(huán)境溫度造成的誤差可通過溫度補償算法來減小。但該誤差在可接受的范圍內，并不會影響語音播報模塊，達到本設計的基本要求。

3.3 導盲手杖的總體功能測試及分析

將各模塊進行調試，確認各個模塊的功能均滿足設計要求后，進行組裝，實物如圖7所示。經測試，該系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，精度高，操作簡單。

4 總結與展望

本文自主設計一款低成本的基于Arduino UNO單片機的智能導盲手杖，該手杖具有超聲波測距、語音播報距離、短信發(fā)送GPS定位信息、語音通話等功能。測試結果顯示，該智能導盲手杖較好地實現(xiàn)了預期設計的功能，且整體性能穩(wěn)定。隨著大量傳感器技術的融入和無線通訊技術的迅速發(fā)展，智能手杖在實現(xiàn)導盲避障功能的同時可兼容導航、健康狀況檢測等功能，為視障人士提供更加安全、便捷的出行保障。

參考文獻：

[1] 佚名. 融入定位及傳感器技術的導盲手杖[J]. 金卡工程， 2012（1）：65-65.

[2] 古訓， 張仁興. 多功能智能導盲手杖設計與實現(xiàn)[J]. 貴陽學院學報：自然科學版， 2016， 11（4）：40-45.

[3] 程晨， Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南AVR篇[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[4] 王力群， 林朝輝. 基于Arduino UNO平臺的多適配性無人機避障技術[J]. 科技創(chuàng)新導報， 2016（9）：18-19.

[5] Figueroa J F， Lamancusa J S. A method for accurate detection of time of arrival： Analysis and design of an ultrasonic ranging system[J]. Journal of the Acoustical Society of America， 1992， 91（1）：486-494.

[6] 李方旭， 馬彬瀚， 丁偉，等. 基于HC-SR04超聲波傳感器的智能避障小車設計[J]. 科技創(chuàng)新與應用， 2016（34）：26-27.

[7] 董胡. 基于嵌入式語音識別的家用服務機器人控制系統(tǒng)[J]. 微型電腦應用， 2017， 33（4）：15-19.

[8] 何維， 張彥會， 粟騰超，等. 基于GPS/GPRS/RFID物流車載終端的設計[J]. 廣西科技大學學報， 2014， 25（4）.

[9] 潘盛輝， 謝榮芳， 楊敘，等. 基于GPS/GPRS的車載監(jiān)控終端系統(tǒng)設計[J]. 廣西科技大學學報， 2014， 25（1）：70-73.

[10] 黃毓芯. 一款多功能智能手杖的設計與研究[D]. 華僑大學， 2015.endprint