大連海事大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 劉天金 楊 雪

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越普遍，一些智能盲人出行輔助設(shè)備的出現(xiàn)大大改變了盲人對(duì)傳統(tǒng)的盲杖的依賴，但是有些智能電子設(shè)備價(jià)格昂貴，且類似于智能盲杖之類的設(shè)備帶來(lái)了一定的勞動(dòng)強(qiáng)度，給盲人的出行帶來(lái)了不便。

目前，單片機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟。將單片機(jī)與其他諸如超聲波測(cè)距、液晶顯示器、人體感應(yīng)器、GPS模塊等結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)智能盲人避障鞋子的設(shè)計(jì)，具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義和研究意義。本文主要圍繞智能盲人避障靴子主要功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)展開研究，以設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、適用范圍廣、操作方便、并能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單人機(jī)交互的智能盲人避障靴子。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1 系統(tǒng)概述

該智能盲人避障靴子總體由7個(gè)模塊構(gòu)成，功能框圖如圖1所示。其中，主控制模塊以單片機(jī)為核心構(gòu)成，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制；超聲波模塊進(jìn)行障礙物距離探測(cè)，由固定高度不同的兩個(gè)超聲波模塊結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物高度的預(yù)估；人體紅外感應(yīng)模塊可以對(duì)行人進(jìn)行探測(cè)，紅外感應(yīng)報(bào)警器與之無(wú)線連接實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示；報(bào)警提示模塊由蜂鳴器、語(yǔ)音播報(bào)和振動(dòng)裝置三個(gè)部分構(gòu)成；按鍵與液晶顯示可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警距離的設(shè)置和語(yǔ)音錄入操作；壓力傳感器模塊控制超聲波電路的通斷進(jìn)行防誤判處理；GPS模塊對(duì)盲人進(jìn)行定位，并通過(guò)GSM模塊與智能手機(jī)通信；除濕散熱裝置對(duì)主控制模塊進(jìn)行必要時(shí)的除濕散熱。

2 硬件設(shè)計(jì)

圖2 實(shí)物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該智能盲人避障靴子的實(shí)物結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示，其中各模塊的名稱為：1.鞋體；2.第一超聲波模塊；3.第二超聲波模塊；4.壓力傳感器；5.蜂鳴器模塊；6.語(yǔ)音播報(bào)模塊；7.主控制模塊；8.振動(dòng)裝置；9.人體紅外感應(yīng)模塊。

下面結(jié)合系統(tǒng)具體功能介紹該項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 超聲波避障

此功能由HC-SR04超聲波測(cè)距模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，此模塊安置于靴體前端并按照高度不同分為第一超聲波模塊與第二超聲波模塊。模塊實(shí)物圖如圖3所示。VCC供5V電源，TRIG為觸發(fā)控制信號(hào)輸入引腳，ECHO為回響信號(hào)輸出引腳，GND為地線。用單片機(jī)連續(xù)向TRIG引腳輸出10μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將循環(huán)發(fā)出8個(gè)40KHz脈沖并由接收管檢測(cè)回波，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則ECHO引腳向單片機(jī)輸出高電平回響信號(hào)，回響信號(hào)的持續(xù)時(shí)間即超聲波從發(fā)出到碰到障礙物后的返回時(shí)間，工作時(shí)序圖如圖4所示，由公式1計(jì)算出障礙物的距離，通過(guò)測(cè)試，此模塊的測(cè)距精度可達(dá)3mm。

圖3 超聲波模塊實(shí)物圖

圖4 超聲波模塊工作時(shí)序圖

2.2 防誤判設(shè)計(jì)

由于盲人在行走抬腳時(shí)腳尖會(huì)下傾，此時(shí)超聲波模塊也會(huì)下傾朝向地面，會(huì)引起的超聲波模塊的誤檢測(cè)。為此，項(xiàng)目組在靴子腳后跟處安置壓力傳感器，位置如圖二中4所示，這樣只有在腳放平（即腳完全落地）時(shí)，壓力傳感器才會(huì)感受到足夠的壓力，電阻值減小，此時(shí)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波電路工作；而當(dāng)腳抬起時(shí)，由于壓力傳感器幾乎感覺不到壓力，電阻增大，使超聲波電路斷開，超聲波模塊不工作，因而也就不會(huì)引起誤判現(xiàn)象。在防誤判功能的實(shí)現(xiàn)中，該壓力傳感器選擇薄片式的FSR402，實(shí)物如圖5所示，其具有纖薄、輕柔、小巧等特點(diǎn)，適合足底壓力的檢測(cè)，其阻值隨壓力變化關(guān)系如圖6所示。

圖5 FSR402實(shí)物圖

圖6 FSR402阻值隨壓力變化曲線

2.3 障礙物高度預(yù)估與距離提醒

該項(xiàng)目在障礙物高度預(yù)估功能的實(shí)現(xiàn)中，是通過(guò)兩個(gè)超聲波模塊相配合并輔助以不同的報(bào)警提示來(lái)完成的。如圖2所示，第一超聲波模塊距離靴底的高度約為50mm，第二超聲波模塊距離靴底的高度約為200mm。具體實(shí)現(xiàn)為：當(dāng)障礙物高度在50～200mm范圍內(nèi)時(shí)，由第一超聲波模塊進(jìn)行探測(cè)并報(bào)警，若障礙物距離在1m～3m范圍內(nèi)，這段距離對(duì)盲人安全影響較小，由語(yǔ)音播報(bào)提供具體距離信息，若障礙物距離小于1m，這段距離對(duì)盲人安全影響較大，由蜂鳴器提供報(bào)警提示，且距離越近報(bào)警頻率越高；當(dāng)障礙物高度超過(guò)200mm時(shí)，第二超聲波模塊也參與測(cè)距，并由腳心處的振動(dòng)裝置發(fā)出振動(dòng)。

語(yǔ)音播報(bào)距離精確，但不能做到實(shí)時(shí)播報(bào)；而蜂鳴器只能定性提供距離信息，但是距離一旦改變，其音調(diào)就會(huì)立即發(fā)生變化，因此可以做到實(shí)時(shí)報(bào)警，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的向盲人提供相關(guān)報(bào)警信息，保障了盲人的安全。通過(guò)不同的報(bào)警提示來(lái)預(yù)估障礙物的高度，可以使盲人通過(guò)不同的方式做出相應(yīng)的處理，比如，如果障礙物高度為50mm～200mm，那么盲人可以稍微邁高即可越過(guò)障礙物；如果障礙物高度大于200mm，那么盲人可能要邁更高的步子，或者用手來(lái)試探前方是否是墻面或者柵欄一類的較高障礙物，通過(guò)這樣的方式，來(lái)使得盲人的出行更加方便和安全。

2.4 人體紅外感應(yīng)

由于超聲波模塊只適用于探測(cè)靜止物體，而對(duì)于行人無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)快速的探測(cè)，因此我們利用人體紅外感應(yīng)模塊來(lái)輔助超聲波模塊進(jìn)行探測(cè)。該人體紅外感應(yīng)模塊采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)器，實(shí)物如圖7所示。當(dāng)該模塊探測(cè)到前方有行人時(shí)，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)出信號(hào)；紅外感應(yīng)模塊報(bào)警器通過(guò)藍(lán)牙接收到該信號(hào)，使報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。電路圖如圖8所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該紅外感應(yīng)模塊可以檢測(cè)盲人前方7m以內(nèi)、120°的錐體范圍內(nèi)的行人，當(dāng)在該范圍內(nèi)有行人時(shí)，報(bào)警器即可產(chǎn)生報(bào)警。相比于超聲波模塊，人體紅外感應(yīng)模塊探測(cè)范圍大，效率高，二者相互彌補(bǔ)，使探測(cè)系統(tǒng)更加完善。

圖7 人體紅外感應(yīng)模塊實(shí)物正面與背面

2.5 GPS定位

該智能盲人避障靴子采用體積小、功耗低的GY-NEO-6M GPS模塊實(shí)現(xiàn)定位，其與主控制模塊安置在一起。單片機(jī)通過(guò)串行接口控制GPS模塊對(duì)盲人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,并讀取定位信息，再把位置信息傳遞給GSM模塊，GSM模塊利用GSM網(wǎng)絡(luò)將接收的定位數(shù)據(jù)傳遞到盲人家人的手機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)盲人的定位。GPS模塊工作示意圖如8所示。GPS模塊通過(guò)GSM模塊與手機(jī)通信，方便盲人的家屬實(shí)時(shí)的了解和監(jiān)視盲人的位置，保證了盲人的安全，防止其走失。

圖8 GPS模塊工作示意圖

2.6 報(bào)警提示模塊

報(bào)警提示模塊由蜂鳴器、語(yǔ)音播報(bào)和振動(dòng)裝置三個(gè)部分構(gòu)成。蜂鳴器采用TMB12A05有源電磁式蜂鳴器，其具有功耗低、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)；語(yǔ)音播報(bào)模塊采用ISD4004語(yǔ)音芯片，該芯片具有可重復(fù)擦寫的功能，即使用者可以自己錄入語(yǔ)音提示聲音；振動(dòng)裝置用偏心電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其與手機(jī)振動(dòng)器原理相同。這些提示模塊分別在上文所述超聲波模塊、人體紅外感應(yīng)模塊的條件下起作用。

2.7 除濕散熱裝置

在除濕散熱裝置中，包括溫度探測(cè)裝置、濕度探測(cè)裝置、加熱模塊以及風(fēng)扇模塊。用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主控制模塊所處的工作環(huán)境，并將測(cè)得的信息發(fā)送給主控制模塊，當(dāng)主控制模塊處于的環(huán)境不適合其工作時(shí)，主控制模塊控制除濕散熱裝置的加熱或風(fēng)扇模塊進(jìn)行工作，以提供主控制模塊合適的工作環(huán)境，防止硬件老化，延長(zhǎng)其使用壽命。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主程序工作流程圖如圖9所示。

圖9 主程序工作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

在電子技術(shù)產(chǎn)品高速發(fā)展的形勢(shì)下，單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，利用單片機(jī)開發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品已普遍應(yīng)用于生活中。本文設(shè)計(jì)的智能盲人避障靴子也是基于單片機(jī)的開發(fā)而進(jìn)行的，對(duì)功能進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。從盲人的角度出發(fā)，為盲人的出行提供了便利的同時(shí)，GPS功能的設(shè)計(jì)使得盲人的家人可以隨時(shí)隨地查看盲人的位置，進(jìn)一步保障了盲人的安全。

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