陳文甫 陳雪

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，在社會(huì)生活中供盲人使用的避障產(chǎn)品已經(jīng)有很多，但市面上所售的導(dǎo)盲產(chǎn)品普遍未能在便攜性上為盲人帶去便利，因此開(kāi)發(fā)一款便攜性較高的導(dǎo)盲產(chǎn)品具有實(shí)際意義。裝置設(shè)計(jì)上以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心處理器，將單片機(jī)的實(shí)時(shí)控制、數(shù)據(jù)處理與紅外線的發(fā)射接收功能，傳感器技術(shù)相結(jié)合，在為盲人提供基礎(chǔ)的避障功能的同時(shí)，還提供了由GPS與GSM構(gòu)成的遠(yuǎn)程定位功能，以及簡(jiǎn)單的夜間自動(dòng)亮燈功能。

關(guān)鍵詞：智能避障;紅外線測(cè)距;STC12C5A60S2單片機(jī);GPS+GSM遠(yuǎn)程定位;導(dǎo)盲

中圖分類號(hào)：TP368? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）16-0220-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

我國(guó)迄今共進(jìn)行過(guò)兩次全國(guó)殘疾人的抽樣調(diào)查，其中，根據(jù)第二次（2006年）的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)盲人數(shù)量約為406萬(wàn)人，而日常生活中受影響的不僅僅只有盲人，高達(dá)827萬(wàn)的低視力患者和1223萬(wàn)的單純視力殘疾患者也飽受目不能視的困擾。這么多年過(guò)去了，隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，我國(guó)的患有視力障礙的人群只會(huì)有增無(wú)減，我國(guó)將成為世界上視力殘疾患者最多的國(guó)家之一。隨著人民生活水平的不斷提高，接納社會(huì)的邊緣群體成為我國(guó)社會(huì)進(jìn)步的重要一環(huán)。盲人既是社會(huì)公民的一員，同時(shí)又是一個(gè)特殊的邊緣群體，他們因?yàn)橄忍旎蛘吆筇斓姆N種原因，在日常生活中本就有諸多不便，如不能準(zhǔn)確判斷障礙物的方位并進(jìn)行回避，尤其是盲人在感知腰部以上的障礙物時(shí)經(jīng)常無(wú)法依賴于傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖，而且目前市面上所售的新型導(dǎo)盲產(chǎn)品重量較重，無(wú)法很好地方便盲人的出行。一款輕便，造價(jià)低，識(shí)別精度高，功能齊全的導(dǎo)盲產(chǎn)品，能為盲人的生活帶來(lái)更多的可能性。由于光速遠(yuǎn)比超聲波傳播速度快，所以紅外線測(cè)距在對(duì)比超聲波測(cè)距中有明顯的優(yōu)勢(shì)，其傳播和反射時(shí)間更短，能更快地提供預(yù)警功能[1]。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)近年在市政建設(shè)上，盲道的修建一直是重中之重，這為盲人出行提供了極大的便利。但從導(dǎo)盲犬和電子導(dǎo)盲手杖在日常生活中的實(shí)際表現(xiàn)看來(lái)，兩者很難為盲人帶來(lái)最大程度上的便利。其中，攜帶不便，費(fèi)用高昂以及使用場(chǎng)景限制等因素影響了他們?cè)谌粘W(xué)習(xí)生活中享受的待遇，對(duì)于心理敏感的年輕族群也會(huì)降低他們出行的意愿。于是，就有了最初的設(shè)計(jì)理念——導(dǎo)盲護(hù)腕，通過(guò)降低盲人在人群中的辨識(shí)度，并提高盲人日常出行便利性，讓盲人能很好融入社會(huì)生活中，有尊嚴(yán)地出行。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1設(shè)計(jì)思路

整個(gè)系統(tǒng)主要通過(guò)簡(jiǎn)單處理紅外線回傳數(shù)據(jù)后，通過(guò)發(fā)出聲音預(yù)警危險(xiǎn)信號(hào)。當(dāng)夜間環(huán)境暗，LED燈亮起以起到警示效果，同時(shí)提醒過(guò)往車輛與行人注意避讓。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)可發(fā)送當(dāng)前地理位置信息，或者通過(guò)發(fā)送短信獲取當(dāng)前地理位置信息，以進(jìn)一步保障使用者的人身安全。

2.1.1 單片機(jī)模塊

STC12C5A60S2單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051內(nèi)核，抗干擾能力強(qiáng)，處理速度比起普通的8051快6～12倍。使用閃存技術(shù)的大容量程序存儲(chǔ)器，兼容8051指令和引腳，可通過(guò)加電進(jìn)行10萬(wàn)次以上擦除和重寫(xiě)。此外，支持串行口編程。通用I/O端口設(shè)計(jì)，每個(gè)I/O端口驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)到20mA，但建議總體不要超過(guò)120mA[2]。

2.1.2 電源模塊

電源模塊使用外接5V供電，為提高設(shè)計(jì)的場(chǎng)景適用性，采用USB線纜外接供電，可選用充電寶供電，也可以接入電腦USB供電口，在設(shè)計(jì)調(diào)試階段方便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。USB線纜直連DC插座，通過(guò)自鎖開(kāi)關(guān)后，直連單片機(jī)和各模塊的供電電路，負(fù)極串聯(lián)接地。除GSM模塊加了電解電容穩(wěn)壓外，其余各部分電路均沒(méi)有外接穩(wěn)壓裝置，因此在驅(qū)動(dòng)電路元件工作時(shí)，相對(duì)考驗(yàn)供電的穩(wěn)定。

2.1.3 紅外線檢測(cè)模塊

紅外線檢測(cè)模塊選用的是E18-D80NK紅外避障光電傳感器，可發(fā)射紅外光和接收反射的紅外光。發(fā)射光被調(diào)制發(fā)射后，接收頭解調(diào)并輸出反射光。配合使用光學(xué)透鏡系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)后部的電位器旋鈕進(jìn)行調(diào)整檢測(cè)障礙物的距離，使得這種傳感器能探測(cè)到高達(dá)80厘米的距離，結(jié)合紅外光自身特性，不同顏色物體探測(cè)距離也各不相同，其中，白色物體檢測(cè)距離最遠(yuǎn)，黑色物體檢測(cè)距離最近，避免一定強(qiáng)度的可見(jiàn)光干擾[3]。

該傳感器直徑為18毫米，傳感器長(zhǎng)為45毫米，線纜長(zhǎng)為18厘米，可在零下30攝氏度到65攝氏度的環(huán)境下工作，默認(rèn)工作電壓為5伏特，工作電路為10～15毫安，最小驅(qū)動(dòng)電路為100毫安，可探測(cè)3～80厘米的距離。紅外波段約為900納米。它的調(diào)制頻率為100～150KHZ，不受可見(jiàn)光的影響。

E18-D80NK紅外避障光電傳感器通過(guò)檢測(cè)被檢測(cè)物對(duì)光束的反射，同步回路連通電路，以此達(dá)到檢測(cè)檢測(cè)物體有無(wú)的目的。采用NPN光電漫反射開(kāi)關(guān)，輸出數(shù)字電路中的高電平和低電平，即0或1。目標(biāo)檢測(cè)為低電平輸出，正常狀態(tài)為高電平輸出;高電平為4.5～5伏，低電平為0～0.5伏，為T(mén)TL電平。需經(jīng)過(guò)外加一個(gè)阻值10K的上拉電阻后，才能連接到IO端口。

2.1.4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊選用的是TMB12A05有源電磁式蜂鳴器。額定工作電壓為5伏，同時(shí)也可在4～7伏寬電壓范圍下工作，額定工作電流為30毫安，可在零下20攝氏度到60攝氏度下正常工作。

單片機(jī)本身除P0口有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，其他的IO口自身驅(qū)動(dòng)能力有限，若直連蜂鳴器，輸出電流過(guò)小，則工作狀態(tài)下幾乎不響，因此需要在蜂鳴器電路中加個(gè)三極管，利用三極管的開(kāi)關(guān)特性，提升驅(qū)動(dòng)能力，增大輸出電路，從而使蜂鳴器可以正常工作。

2.1.5 GPS+GSM模塊

GPS模塊采用VK2828U7G5LF集成模塊，核心芯片為UBX-G7020-KT，L1接收頻段，信號(hào)強(qiáng)度約為-130dBm，誤差小于兩米，大約可用六個(gè)衛(wèi)星，可在海拔五千米的地方所使用。默認(rèn)工作電壓為5伏，可在3.3～5.5伏的寬電壓范圍下工作，標(biāo)準(zhǔn)工作電路為30毫安，浮動(dòng)電流值不得大于5毫安。正常工作溫度在零下40攝氏度到85攝氏度之間，存儲(chǔ)溫度與之相同。冷啟動(dòng)實(shí)際平均為29秒，熱啟動(dòng)時(shí)間平均為1秒。可通過(guò)軟件配置數(shù)據(jù)速率，默認(rèn)為9600bps。

GSM模塊采用以SIM900A為核心組件的集成通訊模塊，板載一顆鉭電容、純銅天線、自動(dòng)開(kāi)機(jī)電路、帶電換卡電路、麥克風(fēng)耳機(jī)輸入輸出、休眠電路以及復(fù)位電路。默認(rèn)工作電壓為4.4～5.5伏之間，當(dāng)電壓大于5.5伏則會(huì)燒毀電路，在復(fù)位腳接GND情況下，關(guān)機(jī)電流為4毫安，工作電流為50毫安，待機(jī)電流為20毫安，具體會(huì)在0～20毫安之間浮動(dòng)，在注冊(cè)期間，發(fā)射的峰值電流達(dá)2安。這意味著電源輸出電路最低達(dá)到2安，才能保障模塊的正常工作。這是整個(gè)電路設(shè)計(jì)中最為考究的部分，因?yàn)槌Ｒ?guī)充電寶的輸出電路一般也峰值只在2安，無(wú)法滿足整個(gè)系統(tǒng)的電路供電需求，而只有市面上快充充電寶的輸出電路能保持在2.4安，在實(shí)際測(cè)試的時(shí)候需要注意這個(gè)問(wèn)題。

本模塊為T(mén)TL電平接口，可以直接與單片機(jī)相連，無(wú)需轉(zhuǎn)換器件。GSM模塊電路采用了一顆470uf電解電容，接到兩端的VCC和GND，主要就是讓模塊工作更加穩(wěn)定。

2.1.6 光敏傳感器模塊

本模塊采用四線制集成傳感器模塊，對(duì)環(huán)境光線最敏感，核心部件為GL5516光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)周圍環(huán)境的光線亮度的變化，靈敏度高。額定工作電壓為3.3～5伏，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，超過(guò)15毫安。可輸出數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，自帶電位器，可用以調(diào)節(jié)檢測(cè)光線亮度。PCB整板長(zhǎng)3.2厘米，寬1.4厘米，有固定螺栓孔，便于安裝拆卸。

雖然采用的是4線制的傳感器，但實(shí)際上并沒(méi)有用到AO模擬信號(hào)輸出口。所以和三線制的接法一致，VCC 接電源正極，GND接電源負(fù)極，DO輸出端直連單片機(jī)，當(dāng)外界環(huán)境光線亮度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出低電平，當(dāng)環(huán)境光線亮度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO 端輸出高電平。再通過(guò)單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)繼電器模塊，由此組成一組光控開(kāi)關(guān)，控制LED燈模塊的亮滅。

2.2 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

參考繪制的原理圖，并結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的模塊進(jìn)行焊接，完成硬件系統(tǒng)的最后一步。

萬(wàn)用板的規(guī)格為9*15cm，DC電源接口后面連接自鎖開(kāi)關(guān)，再連接到電路供電。指示燈的添加是為了驗(yàn)證電路接通時(shí)電流的流通性，方便檢驗(yàn)GSM模塊電路的工作情況。而與光敏模塊相連的LED燈模塊，則是通過(guò)并聯(lián)后再接入電路，通過(guò)三極管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)控制。單片機(jī)最小系統(tǒng)選用的是11.0592MHz晶振，以降低誤差率，提高精度。考慮到蜂鳴器工作環(huán)境存在局限性，因此加入了一個(gè)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)，用來(lái)單獨(dú)控制蜂鳴器的開(kāi)關(guān)。在GSM模塊的兩段，并聯(lián)了一顆470uf電解電容，以確保電流的穩(wěn)定性。

考慮到實(shí)驗(yàn)后期測(cè)試需要不斷進(jìn)行單片機(jī)的燒錄，反復(fù)焊接相較麻煩，因此在電路中添加一個(gè)40腳的IC座。在焊接好IC座的插腳后，把單片機(jī)插到里面就可以接通電路。在調(diào)整需要的時(shí)候，只需要簡(jiǎn)單把單片機(jī)拔下來(lái)，不需要多次熔焊，在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以極大減少時(shí)間。同理，光敏模塊用到了4P排母，GSM模塊用到了8P排母。而紅外線避障探頭所用到的3P接線端子則是為了焊接的穩(wěn)定性，避免紅外線探頭自身重量導(dǎo)致線材斷連，電路斷路[4]。

3軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1紅外線檢測(cè)+蜂鳴器報(bào)警軟件部分設(shè)計(jì)流程

紅外線測(cè)距作為導(dǎo)盲護(hù)腕的核心功能，是本身設(shè)計(jì)的重中之重。但是因?yàn)檫x材上的取巧，在設(shè)計(jì)軟件程序上并不需要浪費(fèi)過(guò)量存儲(chǔ)空間和算力去判斷回傳信號(hào)時(shí)間和計(jì)算測(cè)量距離。當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始通電，芯片開(kāi)始初始化，載入類庫(kù)，把三個(gè)紅外線探頭分別設(shè)置為people1，people2，people3，蜂鳴器設(shè)置為beep，使用if循環(huán)嵌套語(yǔ)句判斷三個(gè)紅外線探頭返回值是否為0，若任意返回值為0，則判斷為三個(gè)探頭前方存在障礙物，此時(shí)蜂鳴器從默認(rèn)的不工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)。其中，在蜂鳴器工作時(shí)，三個(gè)紅外線探頭保持偵聽(tīng)狀態(tài)，若檢測(cè)到三個(gè)紅外線前方均無(wú)障礙物，即返回值均不為0，則蜂鳴器從工作狀態(tài)裝為不工作狀態(tài)。并保持紅外線探頭的偵聽(tīng)狀態(tài)[5]。

3.2 GPS+GSM模塊軟件部分設(shè)計(jì)流程

GPS+GSM模塊主要用以確認(rèn)設(shè)備所在，主要有主動(dòng)回傳地理位置和接收短信并回傳地理位置的功能，是整個(gè)設(shè)計(jì)中程序最為復(fù)雜的一塊。

首先需要定義全局變量，最重要的是不要遺漏串口接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，把使用Unicode字符轉(zhuǎn)碼后的電話號(hào)碼設(shè)為PhoneNo，這個(gè)是作為唯一的接收回送地理位置的手機(jī)號(hào)碼。通過(guò)if嵌套循環(huán)語(yǔ)句判斷GSM模塊回應(yīng)是否以+開(kāi)頭，并讀取GPS信號(hào)，開(kāi)頭$則接收定位信息。再添加串行口2中斷處理函數(shù)，接著定義發(fā)送信息文本，優(yōu)先發(fā)送指令，繼而發(fā)送接收短信的號(hào)碼，再依次發(fā)送北緯，小數(shù)點(diǎn)，東經(jīng)和小數(shù)點(diǎn)，完成地理位置的發(fā)送。編輯主函數(shù)，使用if循環(huán)語(yǔ)句定時(shí)讀取新短信，并在發(fā)送短信后刪除所有短信。并在最后再次使用if循環(huán)語(yǔ)句定時(shí)讀取短信[6]。

3.3光敏傳感器+燈光模塊軟件部分設(shè)計(jì)流程

光敏傳感器控制LED燈是盲人夜間出行的又一道安全保障，這個(gè)在軟件設(shè)計(jì)上并不復(fù)雜。使用if循環(huán)判斷光敏傳感器light_dat，若光敏高，則繼電器打開(kāi)，即relay1為0，反之為光敏低，繼電器關(guān)閉，relay1為1[7]。

3.4軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前面的軟件設(shè)計(jì)思路，用C語(yǔ)言為主的設(shè)計(jì)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)所設(shè)想的功能。因?yàn)檫x材的取巧，可以省去大量的代碼用以計(jì)算檢測(cè)距離以及比較距離，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的嵌套循環(huán)，判斷紅外線反射信號(hào)的有無(wú)，進(jìn)而控制蜂鳴器的工作狀態(tài)。同理，得益于光敏傳感器的高度集成，這里也只需要判斷光敏信號(hào)的高低，轉(zhuǎn)而控制繼電器的工作狀態(tài)[8]。

在代碼開(kāi)發(fā)過(guò)程中，與流程圖邏輯有所不同的地方在于，判斷GSM模塊是否有接收到短信，以及判斷發(fā)送短信按鈕是否又被按下，邏輯上并不存在嵌套關(guān)聯(lián)。但相同的是，兩者都需要獲取GPS信息，發(fā)送短信到指定的手機(jī)號(hào)碼上，然后再刪除短信。最后，需要定時(shí)讀取短信。特別注意的是，這個(gè)模塊的代碼用到了兩種不同編碼方式，其中，Unicode編碼用于編譯指定手機(jī)號(hào)碼，用來(lái)收取當(dāng)前地理位置信息的短信，而UCS2編碼則是設(shè)置手機(jī)卡當(dāng)前的字符集。

綜合系統(tǒng)的各個(gè)模塊所寫(xiě)，在編譯運(yùn)行無(wú)誤后，生成hex文件，燒錄到單片機(jī)上并調(diào)試，即可完成設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

導(dǎo)盲護(hù)腕的最終設(shè)計(jì)能夠正常產(chǎn)生紅外線，實(shí)現(xiàn)紅外線的發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)利用紅外線方法探測(cè)前方障礙物，并進(jìn)行預(yù)警。預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，可以大大減少盲人的行走不便和安全風(fēng)險(xiǎn)，有效減少盲人由于無(wú)法正確識(shí)別障礙物所造成的事故，對(duì)盲人出行安全輔助起到了一定作用。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】