方良斌 陳輝 姜路平 謝孟寬 魏玉蘭

摘 要：為了便于盲人出行，以MK60DN512芯片為核心設(shè)計(jì)一個(gè)多功能拐杖。拐杖通過模塊化完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由藍(lán)牙模塊、超聲波模塊、視頻模塊、短信模塊、GPS模塊、語音提示模塊等組成，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警提示，盲人避障，牽導(dǎo)前行，短信報(bào)險(xiǎn)等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，拐杖制作成本低，設(shè)計(jì)人性化、智能化。

關(guān)鍵詞：超聲波模塊；視頻模塊；短信模塊；語音提示模塊；牽導(dǎo)前行

1 緒論

就當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展和人文建設(shè)，對殘障人士的關(guān)懷肯定是越來越突出和關(guān)注，所以盲人智能拐杖市場需求量巨大、發(fā)展前景良好。關(guān)于智能拐杖方面的研究在國內(nèi)外都是較多的，在國內(nèi)，大多數(shù)關(guān)于盲人智能拐杖的研究還沒有一個(gè)完整的系統(tǒng)能將盲人拐杖的各種功能與控制系統(tǒng)的無縫對接，所以我們的研究在國內(nèi)具有創(chuàng)新性[1-4]。在國外，人們基本都是依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)與智能ETA技術(shù)，這類技術(shù)一般依賴于紅外線，但這種技術(shù)具有檢測范圍短小和開發(fā)與實(shí)施困難的缺陷。而我們的這類產(chǎn)品會(huì)更容易制作與操作，具有成本小造價(jià)低的特色，我們更具有競爭性。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引導(dǎo)拐杖的快速安裝原理：牽引小車與拐杖桿間通過V型彈簧片固連在一起，由于V型彈簧片可壓縮特性可以實(shí)現(xiàn)快速安裝與拆卸的功能。拐杖桿的可伸縮原理：為降低引導(dǎo)拐杖的放置體積，節(jié)省空間，選用5檔調(diào)節(jié)伸縮鈕完成拐杖桿伸縮的功能。引導(dǎo)小車機(jī)構(gòu)：牽引小車采取四輪支撐結(jié)構(gòu)，前方的兩個(gè)輪子通過可轉(zhuǎn)向的舵機(jī)連接在一起，起到一個(gè)轉(zhuǎn)向引導(dǎo)功能。兩直流電機(jī)分別與兩后輪相連，選用扭矩大的直流電機(jī)為引導(dǎo)拐杖提供前進(jìn)的動(dòng)力。人行橫道：設(shè)有中心電磁引導(dǎo)線，使用的引導(dǎo)線為2根銅絲，鋪設(shè)在人行橫道中心線上，直徑為0.1～1.0毫米，通有頻率范圍為20k±1千赫茲，電流范圍為100±20毫安的交變電流。

3 控制原理

3.1 控制系統(tǒng)

下圖為拐杖流程控制圖，拐杖通過模塊化完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由藍(lán)牙模塊、超聲波模塊、視頻模塊、短信模塊、GPS模塊、語音提示模塊等組成，以MK60DN512芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了報(bào)警提示，盲人避障，牽導(dǎo)前行，短信報(bào)險(xiǎn)等功能。

主控芯片MK60DN512為32位的芯片，包含512KB的flash存儲(chǔ)器，128KB的運(yùn)行內(nèi)存，32KHZ的時(shí)鐘頻率；板上有8個(gè)LED燈，方便使用者調(diào)試時(shí)觀察狀態(tài)，5V電源供電；使用J-Link下載程序，有兩種下載方式：JTAG和SWD；擁有解鎖方式。

3.2 牽導(dǎo)循跡

拐杖牽引盲人出現(xiàn)偏離，一側(cè)電感感應(yīng)到磁場減弱，為了阻止磁場減弱，電感產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過放大電路，將感應(yīng)電流放大進(jìn)行反饋。通過K60芯片歸一化處理，由K60芯片控制進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷分析拐杖位置計(jì)算出偏差值，給出占空比為50%的PWM波反饋給舵機(jī)做出反應(yīng)，使拐杖走正，保持拐杖平穩(wěn)直線運(yùn)行，電機(jī)能達(dá)到80轉(zhuǎn)每分鐘。當(dāng)盲人前方1米內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)，超聲波模塊會(huì)檢測到進(jìn)行反饋，蜂鳴器進(jìn)行語音提示。

3.3 藍(lán)牙模塊

采用HC-05藍(lán)牙模塊，有兩種工作方式，采用自動(dòng)響應(yīng)工作連接方式，另一種為命令響應(yīng)工作方式。盲人走到紅綠燈口，RFID模塊感應(yīng)，Slave-loop通過紅綠燈上的遠(yuǎn)程藍(lán)牙設(shè)備將數(shù)據(jù)返回給藍(lán)牙模塊，紅燈REDLED=0拐杖停止，綠燈REDLED=1前行，有源蜂鳴器提示盲人紅燈或綠燈。

3.4 短信模塊

采用SIM800C模塊，能完成TTS、DMTF、短信、GPRS數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?，功率消耗低，支?.3V和5VTTL串口，支持5V-18V的寬電壓工作范圍。當(dāng)拐杖離開盲人超過10s后，收到K60芯片的命令，LED燈點(diǎn)亮，蜂鳴器會(huì)發(fā)出短促的報(bào)警聲。同時(shí)拐杖上的水銀開關(guān)導(dǎo)通電路，通過藍(lán)牙模塊向綁定的手機(jī)發(fā)動(dòng)求救短信和一段TTS語音，以及通過GPS定位發(fā)送盲人的出事地點(diǎn)。

3.5 視頻模塊

拐杖上裝有click的監(jiān)控?cái)z像頭一體機(jī)，使用型號TR018，使用前需插入TF讀卡器初始化，設(shè)置運(yùn)行參數(shù)和Wi-Fi設(shè)置。焦距長度可調(diào)選用4mm，分辨率選用720P。一體機(jī)會(huì)自動(dòng)拍攝盲人的情況，支持電腦和手機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，錄像會(huì)傳輸回綁定的電腦，在電腦上查看錄像回放。當(dāng)拐杖報(bào)警時(shí)，設(shè)備進(jìn)入布防狀態(tài)，會(huì)報(bào)警撥通家人綁定的手機(jī)。

4 結(jié)論

本文描述的智能導(dǎo)盲拐杖基于MK60DN512芯片為核心進(jìn)行研發(fā)，與傳統(tǒng)的盲人拐杖相比，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更人性化、智能化。通過大量實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了綜上所述功能，且性能整體穩(wěn)定。尤其拐杖在牽導(dǎo)盲人前行方面，采用電磁傳感器感應(yīng)地面磁場，循跡準(zhǔn)確。在以后，為了建設(shè)文明和諧的社會(huì)，出于對盲人的安全關(guān)心，智能導(dǎo)盲拐杖的發(fā)展必然會(huì)越來越智能便捷。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國傳，陸琳，侯明，等.智能化盲人超聲拐杖的研制[J].醫(yī)療裝備，2007，20（3）：1-2.

[2]梁秋艷，葛宜元，牛國玲，等.基于視覺監(jiān)測的智能盲人拐杖設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，（4）：584-587.

[3]陳玉萍，盧先領(lǐng).基于SN8P2501單片機(jī)智能導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011，07（33）：8288-8289，8306.

[4]賈丹平，王巖，王陽，等.多功能盲人智能拐杖的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（14）：136-138，142.