梁燦杰 楊馥彰 林楷濤 陳俊填 萬智萍

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展革新，社會(huì)對(duì)盲人關(guān)注不斷提高，針對(duì)全球盲人數(shù)量眾多，關(guān)愛的角度出發(fā)，該文基于Arduino和STM32F429IGT6芯片作為核心控制模塊，GPS模塊和遠(yuǎn)程終端APP能夠令家人實(shí)時(shí)跟蹤確定盲人的準(zhǔn)確起始位置和目的地。在規(guī)劃行走路線所感知的障礙物上，我們使用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊和蜂鳴器有機(jī)結(jié)合來令盲人知道前方有障礙物，通過SIM900A模塊來實(shí)現(xiàn)一鍵撥號(hào)，及時(shí)聯(lián)系家人。盲人的日常生活需要借助其他工具的感知與判斷周圍的空間事物從而構(gòu)成本項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)出發(fā)點(diǎn)。如何讓盲人更方便的出行，更好的讓他們家人得以安心是本次研究的難點(diǎn)所在。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的導(dǎo)盲器搭載APP定位功能和打電話功能、超聲波測(cè)距震動(dòng)功能，它符合盲人的出行需求，也更加的貼近正常人的生活。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲；超聲波；GPS；Arduino

中圖分類號(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）24-0190-04

Abstract： With the continuous development of science and technology innovation， the society is paying increasing attention to blind people. In view of the large number of blind people around the world and the love of care， this article is based on Arduino and STM32F429IGT6 chip as the core control module， GPS module and remote terminal APP can enable family members to track and determine in real time. The exact starting position and destination of the blind person. In planning the obstacles perceived by the walking route， we use the HC-SR04 ultrasonic ranging module and the buzzer to combine organically to make blind people know that there are obstacles in front of them and use the SIM900A module to implement one-touch dialing to promptly contact the family. The daily life of the blind needs to use other tools to perceive and judge the surrounding space things to form the starting point for the realization of this project. How to make it easier for the blind to travel and to make their family members feel more comfortable is the difficulty of this study. The guidance device designed by this project is equipped with an APP positioning function and a call function， and an ultrasonic ranging vibration function. It is in line with the travel needs of the blind and is more close to the normal life.

Key words： Guided blind； Ultrasonic； GPS； Arduino

“盲人的世界到底是一片黑色，還是連黑色都不存在？”這是社會(huì)大多數(shù)正常人都存在的疑問。他們對(duì)于陽光的渴望，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們的想象。根據(jù)英國《柳葉刀·全球衛(wèi)生》2017年8月新刊載的一篇研究報(bào)告中提出，若不加強(qiáng)對(duì)眼疾的治療，那么全球盲人數(shù)量2050年將增至1.15億，比現(xiàn)有的3600萬多2.2倍。本文所采用的GPS/GPRS（全球衛(wèi)星定位/導(dǎo)航系統(tǒng)）早在20世紀(jì)80年代，歐洲、日本廣泛使用汽車車載導(dǎo)航，經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著中國的道路設(shè)施、工業(yè)一體化規(guī)模不斷增加，GPS的應(yīng)用大大得到了發(fā)展，其產(chǎn)品大大深入我們的實(shí)際生活中。在中國涉及定位的智能導(dǎo)盲儀器屈指可數(shù)，在這方面不同于外國的，導(dǎo)盲杖縱觀全世界，依舊是領(lǐng)導(dǎo)性首選地位，若能在這方面投入眾多先進(jìn)科技，同時(shí)要控制成本，節(jié)約成本，能為更多人所使用。目前市面上，只局限于傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖，只有普通的支撐輔助作用，僅僅只是一根拐杖，這種價(jià)格便宜，功能單一的拐杖，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足具有視力障礙的人的需要，人們對(duì)其要求越來越高。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅能利用超聲波測(cè)量前方障礙物，還通過語音震動(dòng)提醒使用者，各方面功能也有比較全面的進(jìn)步。

1 主控板

本系統(tǒng)中所采用的主控模塊Arduino Uno rev3和使用搭載cortex-m4內(nèi)核的STM32F429IGT6芯片，作為一款大眾所實(shí)用的平臺(tái)模板，其處理器核心是ATmega328系列，具有14路數(shù)字輸入/輸出端，其中6路模擬輸入，能夠很好地駕馭，同時(shí)作為一款具有高處理速度、低功耗、超強(qiáng)抗干擾以及高速率等特點(diǎn)的單片機(jī)也是其經(jīng)久不衰的原因，發(fā)展到r3系列，改進(jìn)了前兩代許多的缺點(diǎn)，同時(shí)指令簡單，易于操作，管腳端口數(shù)量多且良好的兼容性，而且電容量足夠大，也能很好地滿足該系統(tǒng)對(duì)耗電量的續(xù)航的要求，使得該款單片機(jī)很好的符合了本文的需求。如圖1所示為Arduino Uno rev3電路原理圖。

2 GPS衛(wèi)星定位

現(xiàn)代的GPS系統(tǒng)主要由地球空間部分、地面控制端部分、用戶終極端部分三部分所構(gòu)成。其主要是由GPS接收終端機(jī)所組成，根植于移動(dòng)端，其能夠很好地分析傳來的地理信息，內(nèi)置供導(dǎo)航計(jì)算的算法方案，計(jì)算出終端機(jī)的經(jīng)緯度進(jìn)而顯示出來，通過借助高德API來轉(zhuǎn)變格式形成地圖上的定位點(diǎn)，這就形成了用戶所看見的定位信息。其定位原理是差分定位，前者是定位精度較高而且也是常用的，正常來講，三點(diǎn)確定一線，即一個(gè)GPS接收器，但在正常使用時(shí)候，往往需要多一個(gè)，來更好地確定傳輸距離。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要知道三個(gè)量，“經(jīng)”“緯”“高”三度。在編程中，通過GetLocation（）函數(shù)來獲得這些量，而且需要四組數(shù)據(jù)，保證在定位過程中的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行GPS模塊設(shè)計(jì)時(shí)，把GPS模塊的串口1與Arduino Uno rev3的串口PC0相連接，模塊與天線的連接根據(jù)情況可以添加一級(jí)前置放大器當(dāng)作電壓信號(hào)處理。

3 超聲波測(cè)距與震動(dòng)提醒

本模塊采用HC-SR04普通超聲波和kt40-1602高壓超聲波共同實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。其中所使用的測(cè)距方法稱為回聲探測(cè)法，即超聲波的發(fā)射器向一個(gè)方向發(fā)射超聲波，當(dāng)超聲波在傳播的途中碰到障礙物便會(huì)立刻反射回來，接收到反射的超聲波的時(shí)間與發(fā)射時(shí)間的差值除以二便是測(cè)距模塊與障礙的距離。為了更好理解測(cè)距模塊其中是如何工作，首先要了解其工作的原理，首先Arduino Uno r3通過外部引腳P3.0輸出電平脈沖，進(jìn)行復(fù)位電路，控制程序使其輸出相應(yīng)的載波頻率到超聲波發(fā)射器，于是開始工作，計(jì)數(shù)器同時(shí)在計(jì)數(shù)，檢測(cè)一個(gè)來回的檢測(cè)時(shí)間與接收脈沖波形的瞬間，正常超聲波傳播期間，接觸到障礙物馬上停止前進(jìn)并折返回來，超聲波接收器馬上感應(yīng)，即收到反射波，下令計(jì)數(shù)器馬上停止工作。測(cè)距模塊最遠(yuǎn)可測(cè)量距離為10m，測(cè)距精度可達(dá)到3mm。該模塊包括控制中樞電路、發(fā)射器以及信號(hào)接收器，圖2為超聲波測(cè)距工作示意圖。

基本工作原理包括：

（1） I/O口的TRIG能夠開始啟動(dòng)測(cè)距功能，提供不少于10us的信號(hào)，而且是高電平的；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40Hz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

（2） 一旦信號(hào)折返，I/O口的ECHO就會(huì)發(fā)送高電平信號(hào)，其能夠持續(xù)的時(shí)間，就是我們所理解的從發(fā)射到返回所需要的時(shí)間，其中所需距離 =（高電平時(shí)間*聲速（340m/s））/2。

震動(dòng)提醒作為本系統(tǒng)的一部分，震動(dòng)提醒和蜂鳴器模塊是當(dāng)作一種用來提醒盲人行進(jìn)前方有障礙物的提示方式，當(dāng)通過超聲波模塊感應(yīng)到前方的障礙物時(shí)，經(jīng)過外部引腳I/O口流入電流，蜂鳴器就會(huì)發(fā)出聲響，震動(dòng)器就會(huì)發(fā)生微微的震動(dòng)。當(dāng)夜間出行的時(shí)候，為了更好讓路人和車輛注意到使用者，避免碰撞，能起到很好的提示作用。其低電壓、低電流的工作不會(huì)對(duì)人體造成傷害，所以被廣泛用于很多場(chǎng)合。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)

本節(jié)中，闡述服務(wù)器模塊的構(gòu)建和后臺(tái)APP界面內(nèi)部的設(shè)計(jì)，其中包括定位功能、基于TCP協(xié)議的Socket通信信號(hào)構(gòu)建、數(shù)據(jù)庫表的建立、Android與MySQL的數(shù)據(jù)連接以及高德API的構(gòu)建鏈接。

本系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的部分，實(shí)現(xiàn)了一種基于Android的遠(yuǎn)程定位結(jié)合SIM900A芯片、GSM/GPS模塊和服務(wù)器LAMP共同獲取定位信息的一種設(shè)計(jì)思路，并內(nèi)嵌高德云圖API使其接收準(zhǔn)確位置的信息。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如下圖5所示。

4.2 服務(wù)器與數(shù)據(jù)表模塊設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的構(gòu)建需求，需要使用一臺(tái)服務(wù)器能夠支持多用戶同時(shí)服務(wù)，這就要求服務(wù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠穩(wěn)定的正常運(yùn)行。本系統(tǒng)中，選擇了LAMP來搭建后臺(tái)服務(wù)器，用作數(shù)據(jù)傳輸和獲取。

LAMP為Linux+Apache+Mysql+PHP多方組合的英文縮寫，是一組常用做搭建動(dòng)態(tài)網(wǎng)站或者服務(wù)器的開源軟件，但是我們這里并沒有全部都使用這其中的功能，只是借鑒了其中一部分開發(fā)者功能。即MySQL是作為一類為LAMP系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端，其強(qiáng)大簡單的功能能夠很好地適合運(yùn)行本系統(tǒng)運(yùn)作的數(shù)據(jù)庫管理器。

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中，該系統(tǒng)是使用了Navicat for MySQL軟件來創(chuàng)建三個(gè)數(shù)據(jù)表，分別是Account、user info、user password作為登陸APP的賬號(hào)、用戶名、密碼的信息庫，同時(shí)在Eclipse上建立一個(gè)類DBUTIL和利用try catch（）與getConnect（）的方法來說明并再新建另一個(gè)類來使用doGet（）方法獲取數(shù)據(jù)庫的信息。

數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)，首先要從其設(shè)計(jì)的項(xiàng)目大小出發(fā)，即系統(tǒng)的容量，根據(jù)你所需要的擴(kuò)展大小做出的相應(yīng)調(diào)整。需要從設(shè)計(jì)開發(fā)的角度去著手，從自己的最終目標(biāo)考慮，然后看自己需要什么功能就設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)表。在本系統(tǒng)中，由于需要的量不多，故只需要設(shè)計(jì)三個(gè)表即可，命名也要遵循一定的規(guī)則，按照官方的要求，盡可能的方便開發(fā)者所讀懂就可以，避免出現(xiàn)連自己都看不懂的名稱，這一定程度上，能夠節(jié)省開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間。

4.3 基于TCP協(xié)議的Socket通信

基于TCP協(xié)議的Socket通信可分為客戶端和服務(wù)端之間的通信，這其中又可以分為幾部分，分別由建立Server Socket與Socket連接、開啟輸出輸入流、協(xié)議讀寫程序、結(jié)束資源入口這四部分所構(gòu)成。

Socket通信能夠在雙方建立起連接后，通過一定的方法，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的無縫連接，連接的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的主動(dòng)推送，而免去了每次由客戶端向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求命令，其為通信雙方提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，即為Socket連接。尤其他數(shù)據(jù)率丟失率低、使用簡單和易于移植的強(qiáng)大特點(diǎn)使得能夠穩(wěn)定運(yùn)行于本系統(tǒng)之中。

在實(shí)現(xiàn)通信過程中，Server端需要聲明一個(gè)Server Socket對(duì)象并指定端口號(hào)，接著調(diào)用Server Socket的accept（）方法來接收Android端數(shù)據(jù)信息。Android端需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Socket對(duì)象并指定Server端IP地址和端口號(hào)，通過input stream讀取數(shù)據(jù)，獲取服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)，最后將要發(fā)送數(shù)據(jù)寫入到output stream，開始實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議的Socket數(shù)據(jù)傳輸。以下圖7清晰的講述了Socket通信的基本流程。

在實(shí)際操作中，建立了Socket通信接收就能夠由Sim900A芯片、GSM/GPRS模塊經(jīng)TCP發(fā)送經(jīng)緯度信息并存入MySQL數(shù)據(jù)庫中，接著Android客戶端讀取MySQL數(shù)據(jù)庫中存放的經(jīng)緯度信息。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 硬件模塊與超聲波測(cè)距模塊的程序測(cè)試

程序的測(cè)試需要是系統(tǒng)的最后一步，也是檢驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ年P(guān)鍵一步。把寫好的程序燒進(jìn)開發(fā)板里就好比向一個(gè)小孩灌輸知識(shí)，所以整個(gè)系統(tǒng)連接完成后就是靠程序的正常運(yùn)行，由kell C51該款軟件來進(jìn)行調(diào)試與編譯的工作，最下方的方框顯示了程序運(yùn)行的錯(cuò)誤和警告，若沒出現(xiàn)任何錯(cuò)誤提示，則說明可以正常燒進(jìn)，并可以編譯成功。程序測(cè)試如圖9所示：

對(duì)于感測(cè)行走過程中障礙物的距離，超聲波測(cè)距模塊起著重要的作用。首先該系統(tǒng)猶如一雙指引幫助盲人前進(jìn)的眼睛，在程序中設(shè)定距離障礙物某一個(gè)距離時(shí)就可以感應(yīng)到并做出通過蜂鳴器來發(fā)出聲響，這是它的基本原理。

這部分是由Arduino來控制實(shí)現(xiàn)功能的，連接蜂鳴器的四個(gè)端口，其中g(shù)nd、trig、vcc、echo分別連接Arduino的四個(gè)特定端口，該測(cè)試與前一部分緊密結(jié)合，共同構(gòu)成一個(gè)完整的整體。

5.2 整體系統(tǒng)測(cè)試

基于各模塊分開的測(cè)試，測(cè)試到的只是每一部分所起到的作用，所以結(jié)合一個(gè)整體的時(shí)候的測(cè)試很有必要。整體系統(tǒng)如圖10所示，圖中有3-4個(gè)按鈕，通過按下不同顏色的按鈕，分別對(duì)應(yīng)不一樣的模塊起作用，簡單的設(shè)計(jì)為了方便盲人使用，所以盡可能使其合理，操作簡化，易于上手。經(jīng)過調(diào)試與測(cè)試，本系統(tǒng)功能正常，可實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距震動(dòng)提醒功能。

6 結(jié)語

盲人是一個(gè)特殊的社會(huì)群體，如何幫助保護(hù)并尊重他們是一個(gè)重要的課題。盲人的日常生活需要借助其他媒介的感知與更好判斷周圍的空間事物輔助出行從而構(gòu)成本項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)出發(fā)點(diǎn)。

為了提高盲人行走的安全性和方便性，綜合各方因素設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。其創(chuàng)新性、實(shí)用性、合理性高度貼近生活的需要，將會(huì)大大影響盲人出行的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（16）：155-157.

[2] 于紅利.盲人導(dǎo)行輔助系統(tǒng)中信息采集及優(yōu)化研究[D].南華大學(xué)，2013.

[3] 謝敬仁.彭霞光.中國盲人定向行走訓(xùn)練的現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策[J].中國特殊教育，2008（8），53-56，40.

[4] 秦瑞超.邵向楠.盛慶偉，等.國內(nèi)外主要衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的發(fā)展分析[J].黑龍江科技信息，2010，（24）：11-12.

[5] 朱筱虹.徐瑞.孫妍，等.GPS標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及體系分析[J].無線電工程，2012，42（8）：28-31.

[6] 郭竹.當(dāng)前GPS行業(yè)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化分析[J].科技信息，2009（10）：356.

[7] 翟順.王衛(wèi)紅.張衎，等.基于SIM900A的物聯(lián)網(wǎng)短信報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（5）：86-89.

[8] 張維文.孫耀杰.王彬宇，等.基于 Android和 SIM900A 模塊位置實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國礦業(yè)，2014，（z2）：362-365.

[9] 姚旭禹.湯莉莉，黃思嘉，等.智能盲人拐杖的研究與設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（27）：61-62.

[10] 郭明欣.實(shí)時(shí)GPS定位應(yīng)用中定位數(shù)據(jù)的提取[J].科技風(fēng)，2010（8）：255.

胡延蘇.高昂.超聲波測(cè)距誤差分析及校正研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（8）：2820-2823.

[11] 童峰.許天增.一種移動(dòng)機(jī)器人超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)[J].機(jī)器人，2002，24（1）：55-57，61.

[12] 余琴，趙振華.基于GPRS的SOCKET通信的應(yīng)用研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（11）：52-53，57.

[13] 李庭威，王峰，汪進(jìn)，等.高精度差分在高德地圖上的多點(diǎn)實(shí)時(shí)定位[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（23）：200-201.

[14] Wen Da Huang. Remote Monitoring of Environment by Android Smartphone through Secure Sockets Layer[J]. Applied Mechanics and Materials，2014，3013（522）.

[15] Jing Li，George Taylor，David B. Kidner. Accuracy and reliability of map-matched GPS coordinates： the dependence on terrain model resolution and interpolation algorithm[J]. Computers and Geosciences，2004，31（2）.

【通聯(lián)編輯：梁書】