韋曉燕

（柳州城市職業(yè)學(xué)院，廣西柳州，545036）

0 引言

我國是人口大國，同樣也是世界上盲人數(shù)量最多的國家，由于陌生和復(fù)雜的環(huán)境,往往使盲人的出行安全缺乏最低的保障，使該群體長期面臨著出行難的問題，如何有效解決該問題，讓盲人群體能夠融入社會，提升幸福感和獲得感，是一個(gè)值得社會各個(gè)層面深度關(guān)注的問題。目前，引導(dǎo)盲人行走的方式主要有3種:(1)傳統(tǒng)的手杖引導(dǎo);(2)盲道引導(dǎo);(3)導(dǎo)盲犬引導(dǎo)[1]。隨著科技的進(jìn)步，近期市場上出現(xiàn)了一種人工智能輔助設(shè)備——視聽轉(zhuǎn)化類智能助視器，它多托于智能語音技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)將視覺信息轉(zhuǎn)化為聽覺信息，達(dá)到幫助視障人士識別文字、鈔票、顏色以及躲避障礙物的目的[2]。以上幾種方式不管是從適用性還是效益性出發(fā)都比較難以滿足大多數(shù)盲人群體的出行需求。

本文通過多種傳感器相互協(xié)同，設(shè)計(jì)出一種包含低洼探測、倒地檢測、障礙物檢測、環(huán)境監(jiān)控、語音提示、聲光報(bào)警以及無線救助等功能為一體智能導(dǎo)盲與救助系統(tǒng)。不僅為盲人群體出行提供便利，而且能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測出行時(shí)所處的環(huán)境，以便在突發(fā)狀況時(shí)使該群體能夠得到及時(shí)和有效地救助，切實(shí)地輔助盲人群體出行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，本設(shè)計(jì)由導(dǎo)盲杖和救助站兩個(gè)系統(tǒng)組成。導(dǎo)盲系統(tǒng)由控制與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成，采用Arduino nano（一種便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺）作為控制核心，通過12V可充電鋰電池協(xié)同電源模塊進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換為各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行供電。救助系統(tǒng)由控制核心、報(bào)警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將履帶底盤用螺桿與螺絲連接固定兩層亞克力板搭建的模式進(jìn)行整體硬件電路布局，以杜邦線進(jìn)行電路連接，不僅可以使各個(gè)模塊得以重復(fù)利用，減少了電路焊接，便于系統(tǒng)檢修，降低了設(shè)計(jì)和制作成本，而且提高了使用安全性。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖

1.1 導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1.1 控制與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)4輪履帶運(yùn)動(dòng)底盤作為底座（如圖2），相較于普通四腳輪具有更高的平衡性和穩(wěn)定性，能夠適應(yīng)復(fù)雜地形，更好的貼合行駛路面，而且具備一定的爬坡和越障能力，例如盲道、濕滑路段、砂石路。

圖2 4輪履帶運(yùn)動(dòng)底盤

使用者可通過在操作手把左側(cè)安裝的XY雙軸搖桿（如圖3）自主輕松地控制履帶車前進(jìn)、后退、左拐、右拐，輕便省力，不易偏向，且履帶車的行駛速度可由使用者自己控制，實(shí)現(xiàn)了由機(jī)器帶著使用者行走，通過在操作手把處手繩的設(shè)計(jì)防止盲人使用者在過程中拐杖脫手，從而提高其使用安全性。

圖3 把手中的XY雙軸搖桿

1.1.2 檢測系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器協(xié)同聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低洼探測、障礙物檢測、傾倒檢測功能。

（1）低洼探測

超聲波測距傳感器HY－SRF05模塊（如圖4）探測距離為2cm到450cm，探測頻率為500Hz,探測精度可達(dá)3mm，將其置于履帶車底盤底部最前端，用來實(shí)現(xiàn)低洼探測功能，該模塊主要由發(fā)射器和接收器組成，工作過程中通過超聲波發(fā)射器向地面發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)開始計(jì)時(shí),碰到障礙物就立即返回。超聲波在15℃的空氣中的傳播速度大約為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器所記錄的時(shí)間t,可計(jì)算得出傳感器的發(fā)射 點(diǎn)到障礙物之間的距離s，(s=340t/2）,超聲波接收器接收到反射波則立即停止計(jì)時(shí)。

通過程序設(shè)定，當(dāng)檢測到低洼深度大于20cm時(shí)，控制核心向履帶車發(fā)出指令緊急制動(dòng)，并觸發(fā)報(bào)警器和語音系統(tǒng)提醒盲人使用者,此時(shí)無論使用者再操作XY遙感，導(dǎo)盲杖都不能再前進(jìn)，從而避免危險(xiǎn)的發(fā)生。

（2）障礙物檢測

通過在第二層搭建的前、左、右三個(gè)方向五個(gè)方位安裝5個(gè)光電傳感器，來實(shí)現(xiàn)多個(gè)方向的障礙物探測功能。碰到障礙物就立即返回體積小、精度高、響應(yīng)速度快、檢測距離遠(yuǎn)以及抗光、電、磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，通過同步回路接通電路，從而檢測物體的有無，被檢物體不僅限于金屬，所有能反射光線，或者對光線有遮擋作用的物體均可以被檢測，通過將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對目標(biāo)物體進(jìn)行探測。

通過調(diào)節(jié)傳感器上的可調(diào)電阻來設(shè)定合適的安全距離，當(dāng)傳感器檢測到障礙物小于安全距離時(shí)，控制核心向履帶車發(fā)出指令緊急制動(dòng)，并觸發(fā)聲光報(bào)警器提醒路人注意避讓，通過語音提醒具有聽力障礙的使用者遇到的具體情況。

（3）傾倒檢測

通過在第二層搭建中間安裝水銀開關(guān)模塊來實(shí)現(xiàn)傾倒檢測功能。水銀開關(guān)又稱傾側(cè)開關(guān)，是電路開關(guān)的一種，以一接著電極的小巧容器儲存著一小滴水銀，容器中多數(shù)為真空或注入惰性氣體。因?yàn)橹亓Φ年P(guān)系，水銀水珠會向容器中較低的地方流去，如果同時(shí)接觸到兩個(gè)電極的話，開關(guān)便會將電路閉合，開啟開關(guān)，從而觸發(fā)后續(xù)電路工作。

當(dāng)盲人使用者發(fā)生摔倒時(shí)，手繩拉動(dòng)導(dǎo)盲杖隨之傾倒，水銀開關(guān)兩個(gè)電極斷開，從而觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)，發(fā)出聲光報(bào)警引起附近路人的注意，來對盲人進(jìn)行及時(shí)施救，同時(shí)發(fā)送救助信息，聯(lián)動(dòng)救助站系統(tǒng)，救助站的工作人員通過無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭可以實(shí)時(shí)觀察盲人使用者的情況，以便采取下一步措施。

圖4 超聲波測距傳感器

（4）報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)主要由聲光報(bào)警器、語音識別模塊和輸出模塊、無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭組成。聲光報(bào)警器的使用最大限度的保障了盲人使用者在出行遇到突發(fā)狀況時(shí)得到及時(shí)的救助，通過對語音識別模塊（LD3320）進(jìn)行軟件編程，能夠在導(dǎo)盲杖檢測到障礙物時(shí)通過語音輸出模塊發(fā)出：“警報(bào)！警報(bào)！左前（左、右、正前、右前）方檢測到障礙物！”檢測到低洼時(shí)發(fā)出：“警報(bào)！警報(bào)！前方路面凹陷！”準(zhǔn)確的語音提示，讓盲人使用者能夠接收到突發(fā)狀況的準(zhǔn)確信息，方便其作出判斷。另外，還可以在存儲卡內(nèi)導(dǎo)入使用者習(xí)慣的歌曲，通過語音識別模塊可實(shí)現(xiàn)語音控制歌曲播放的功能如當(dāng)使用者對著拾音器說出：“播放XX歌曲”即可通過語音輸出模塊播放歌曲，實(shí)現(xiàn)了MP3的功能從而提升了娛樂性。

在導(dǎo)盲杖杖體的中間固定的無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可以上下左右旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)全視野監(jiān)控，救助站的工作人員及盲人使用者的家人可以通過終端連接無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，實(shí)時(shí)觀察使用者所處的環(huán)境，一方面提升了救助站在應(yīng)對突發(fā)狀況時(shí)救助效率，另一方面能夠讓使用者的家人及時(shí)掌握盲人使用者的動(dòng)態(tài)。

（5）通信系統(tǒng)

導(dǎo)盲系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了GSM模塊，具有發(fā)送SMS短信，語音通話，GPRS 數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能，能實(shí)時(shí)獲取使用者所處的位置信息，使用者的家人可以及時(shí)關(guān)注到其行蹤軌跡，掌握其使用狀態(tài)；通過在導(dǎo)盲系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置SIM卡不僅能夠?yàn)檎麄€(gè)導(dǎo)盲系統(tǒng)運(yùn)行過程中覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)，如果盲人使用者迷路可以通過XY雙軸搖桿的中心鍵，將獲取的位置信息發(fā)送給盲人使用者的緊急聯(lián)系人，以便快速的找到使用者。

圖5 軟件程序流程圖

1.2 救助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

救助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于及時(shí)有效的接收導(dǎo)盲系統(tǒng)所發(fā)出的救助信號，能夠與導(dǎo)盲系統(tǒng)組成輔助與救助聯(lián)動(dòng)的閉環(huán)，可布局在救助站中，便于相關(guān)工作人員實(shí)時(shí)查看使用者的情況，為使用者出行安全提供保障。

救助系統(tǒng)對未來救助站的使用場景進(jìn)行了模擬設(shè)計(jì)，將各個(gè)模塊搭建于一塊亞克力板上，整個(gè)系統(tǒng)供電電壓為220V交流電，通過電壓模塊將進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，對各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行供電。整個(gè)系統(tǒng)通過控制核心（arduino nano 芯片）連接控制報(bào)警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)及通信系統(tǒng)，接收導(dǎo)盲系統(tǒng)中的GPS及GSM模塊與發(fā)送的信息，形成信息傳輸?shù)拈]環(huán)，并觸發(fā)救聲光報(bào)警以提醒相關(guān)工作人員盲人使用者遇到突發(fā)情況，需要及時(shí)救助。

整個(gè)救助系統(tǒng)的顯示功能通過一個(gè)樹莓派（微信電腦）搭載7英寸顯示屏來實(shí)現(xiàn)，樹莓派是搭載linux系統(tǒng)的一款基于ARM的微型電腦主板，以SD卡為內(nèi)存硬盤，主板周圍有4個(gè)USB接口和一個(gè)10/100以太網(wǎng)接口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口，以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能，只需接通電視機(jī)和鍵盤，就能執(zhí)行如電子表格、文字處理、玩游戲、播放高清視頻等諸多功能。通過在樹莓派上連接導(dǎo)盲系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)攝像頭，即可實(shí)時(shí)查看使用者所處的環(huán)境，能夠在使用者發(fā)生意外狀況時(shí)及時(shí)響應(yīng)，從而對使用者進(jìn)行有效救助。

2 軟件設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)通過Mixly（一款由北京師范大學(xué)米思齊團(tuán)隊(duì)基于Google的Blockly圖形化編程框架，開發(fā)的一款免費(fèi)開源的圖形化Arduino編程軟件）進(jìn)行圖形化編程實(shí)現(xiàn)。采用嵌套循環(huán)語句對各個(gè)硬件模塊進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳感器的檢測功能，軟件程序流程圖如圖5。

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的智能導(dǎo)盲與救助系統(tǒng)，通過多種傳感器協(xié)同工作，不僅可以實(shí)現(xiàn)障礙物檢測、低洼探測、倒地檢測、環(huán)境監(jiān)控、語音提示、聲光報(bào)警、定位等導(dǎo)盲功能，還可以通過在救助端搭建樹莓派接收求助信息，從而實(shí)現(xiàn)救助功能。履帶的底盤和XY搖桿的設(shè)計(jì)，更是極大的提升了使用者操作簡便性和安全性，可以有效的輔助盲人使用者出行。