范宇 陳嘉琪 黃美玲 陳加玲

北部灣大學(xué)理學(xué)院 廣西欽州 535011

1 研究意義與背景

1.1 研究意義

基于當(dāng)今社會上的盲人與老人的出行問題，本文進行了一系列的研究。盲人出行大多是手持導(dǎo)盲杖或者導(dǎo)盲犬，但普通導(dǎo)盲杖無法保障盲人的生命安全，導(dǎo)盲犬的壽命也有限。人老后各個機體功能都開始下降，所以部分老人出行也要手持拐杖出行，但對于患病的老人來說，普通拐杖也難保使用者的生命安全。本文針對這類問題對手持拐杖做出了改進，用智能手環(huán)與融合多個系統(tǒng)的智能手杖結(jié)合，對使用者的健康進行實時檢測，不僅可以在摔倒后及時呼救和發(fā)送定位給監(jiān)護人，而且對有異常的數(shù)據(jù)也會告知其監(jiān)護人,對盲人和老人群體的安全有著重要的保障。

1.2 背景

國內(nèi)對于本類產(chǎn)品的研究較為眾多，首先是以智能導(dǎo)盲機器人為代表的達到了可以通過提前給機器人輸入特定的路線指令達到幫助盲人的效果，而該類智能出行不方便攜帶，不能預(yù)防突發(fā)事件，只能適用于盲人；其次是頭戴式導(dǎo)盲儀，該類較為先進，可以通過超聲波等技術(shù)探測前方障礙物，幫助盲人躲避危險，但是該類產(chǎn)品沒有考慮到目標對象的心理，基于人的設(shè)防心理，不能滿足人的安全感；最后是最為先進的智能導(dǎo)盲杖了，可以通過超聲波、GPS定位等技術(shù)達到幫助盲人躲避危險，規(guī)劃路線，以及及時求救等目的，也滿足了人的基本安全感，是目前市場上較為先進的、全面的產(chǎn)品類型了。當(dāng)然國外對于此類的研究也僅限于以上幾類，暫無更先進的產(chǎn)品。

2 健康與倒地檢測系統(tǒng)

2.1 健康檢測系統(tǒng)

本物品通過手機上的軟件和質(zhì)地較軟的手環(huán)共同作用并聯(lián)合Android系統(tǒng)的健康檢測系統(tǒng)，通過更簡易的方式對使用對象進行實時監(jiān)護過程，不僅能夠系統(tǒng)全面地維護并保留監(jiān)測數(shù)據(jù)，而且能夠提高對不同老人以及盲人的適用度。例如，使用對象的心率值在設(shè)備設(shè)定的相應(yīng)值的檢驗環(huán)境較長時間內(nèi)一直處于偏低的情況，即設(shè)備設(shè)定的心率值就會低于學(xué)界所共同認定的值[1]。相反如果較長時間內(nèi)使用對象的血壓偏高，那么就應(yīng)該相應(yīng)地減少對使用對象進行血壓測驗的實驗間隔，并且同時提高低壓的最小設(shè)定值。在使用對象佩戴所增加的有關(guān)生命安全設(shè)備時，如果出現(xiàn)了心律不齊的突發(fā)疾病，又或者是出現(xiàn)了其他的身體異樣，該部分會立即將實時數(shù)據(jù)傳輸給相應(yīng)部分并立即進行分析，最后該部分將會結(jié)合本身所具有的定位功能向外界求救[2]。該系統(tǒng)的工作原理為如圖1所示：

圖1 健康檢測系統(tǒng)工作原理

2.2 倒地檢測系統(tǒng)

由于使用者身體出現(xiàn)狀況會有不同的原因，只是通過簡單的健康檢測無法判斷出某些意外情況，基于本產(chǎn)品的智能手杖為參照物，通過智能手杖內(nèi)部的倒地檢測系統(tǒng)可以及時有效地救治使用者。智能手杖摔倒時會與地面形成一定的角度，從而可以從角度的閾值去判斷使用者是否倒地。以智能手杖豎直放置與地面形成X、Y、Z軸，其中手杖為Z軸，獲取其Z軸的前后左右的角速度變化情況，由于角速度的大小以及角度的大小的變化幅度不同，會產(chǎn)生異常變化的數(shù)據(jù)。我們可以對以上數(shù)據(jù)進行計算判定使用者是否倒地，倒地系統(tǒng)同時還需要與手環(huán)結(jié)合，需要手杖倒地且數(shù)據(jù)健康異常，防止只是使用者將智能手杖平放而觸發(fā)警報。當(dāng)然，為了防止手杖的倒地檢測系統(tǒng)會由于使用者在使用過程中不需要時平放速度過快而觸發(fā)警報，我們還設(shè)置了自動取消警報的按鈕，防止系統(tǒng)向使用者的監(jiān)護人發(fā)送“虛假”的警報，從而引起不必要的麻煩。接下來就是通過使用基于SVM(合成加速度數(shù)值)和閾值分析法的摔倒檢測系統(tǒng)進行判斷使用對象的具體狀態(tài)來判斷是否需要采取救治以及告知家屬，而SVM是根號下X、Y、Z軸的加速度的平方和的平方計算出來的[3]。該系統(tǒng)具體計算的是使用者的身體內(nèi)部的狀況，我們將使用該系統(tǒng)結(jié)合手杖內(nèi)部的系統(tǒng)對于使用者的身體狀況進行雙監(jiān)控，全面確保使用者的安全。同時手杖設(shè)計成伸縮功能，較為便捷。該系統(tǒng)的工作原理為如圖2所示：

圖2 倒地檢測系統(tǒng)工作原理

3 語音播報系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 基于語音交互的通用硬件系統(tǒng)架構(gòu)

本產(chǎn)品使用系統(tǒng)STM32為中央主控平臺，通過收集LDV5語音指令，進行智能語音通信[4]。收集超聲波傳感器和陀螺儀的信號，進行智能避障和路面條件數(shù)據(jù)傳輸；利用串行端口一向二號機傳輸已采集的語音指令，發(fā)送回家或者緊急救助的消息，此時家屬也可以通過接收到的信息即得知使用者的位置；同時獲取由二號機傳送的天氣和時間消息，并進行有關(guān)天氣和時間的語音播報。該系統(tǒng)框架如圖3所示：

圖3 語音播報系統(tǒng)框架

3.2 LDV5模塊的工作原理

LDV5模塊中的內(nèi)置TF卡，可以保存指令設(shè)置和語音文檔。另外配備了外置喇叭和話筒，完成播放功能；通過外設(shè)的串口和STM32主控面板通信，完成了傳輸命令的全部功能；它還擁有8個IO口，可以按照實際的不同要求，來擴充外部電路；有語言接收(采集)、識別、分析、應(yīng)答等功能[5]。

3.3 語音交互系統(tǒng)的程序設(shè)計

3.3.1 超聲波模塊

本產(chǎn)品超聲波模塊的設(shè)計通過安裝三個超聲波測距測速儀，其中前置兩個測距儀，通過二者之間的測量距差，以確定前面是否有障礙物，反饋給語音識別模塊，及時避障，使外出更加安全。

當(dāng)測距模塊測的距離在設(shè)定前方有障礙物情形下，語音播報前方的情況。當(dāng)超聲波模塊在測定的距離超過使用者的身高下，語音播報上方的狀況。如果手杖上的超聲波模塊測得的距離在一定的差值里，則會提醒使用者注意腳下(或樓梯)[6]。同時當(dāng)使用者的正前方或者頭頂上有障礙物時，該模塊都可以將其檢測出來，幫助使用者避開障礙物或者危險事物。

3.3.2 MPU6050陀螺儀模塊的程序設(shè)計

使用MPU6050模塊，根據(jù)俯仰角和橫滾角，對導(dǎo)盲杖的平衡狀態(tài)進行判斷，與語音模塊組合，在用戶摔倒的情況下大聲播報求救信號。

4 超聲波以及自主蓄電模塊

超聲波是波長很短的機械波，頻率高于人類聽覺極限的高音調(diào)聲波。它的工作原理是其發(fā)射出超聲波信號后，該信號在空氣中遇到障礙物就會彈回來并被接收[7]。經(jīng)過多方面綜合考慮，本產(chǎn)品選擇使用HC-SR04超聲波傳感器，可以將其與語音播報系統(tǒng)連接，在將超聲波裝置在本產(chǎn)品上進行合理布局組裝，可實現(xiàn)全方位實時測距防止事故。此模塊功能具有較穩(wěn)定的性能，測量范圍的盲區(qū)較小，測量的距離范圍為2～400cm，并且測量所得數(shù)據(jù)較為精確，測量的精度高達3mm。

該產(chǎn)品含有多個功能區(qū)，超聲波測量障礙物的時候具有發(fā)散性，因此有必要使用多個超聲波傳感器和其他傳感器一起工作。其中在智能手杖的上方部位安置超聲波測量儀，通過盲人身高自動設(shè)定安全限高值，進行測量盲人上方的位置，通過高度測量得知盲人上方是否存在障礙物，若盲人前方存在懸空障礙物，如門框、樹枝等障礙物，如果超過安全限高值則通過智能語音播報系統(tǒng)提醒盲人注意安全，使盲人進行避讓[8]。在手杖的正面、左右兩側(cè)面的位置分別安裝弧形掃掠型超聲波測距測速儀，測量盲人與身邊周圍物體的距離。如果存在障礙物，通過接收超聲波信號后，反饋到語音系統(tǒng)，通過語音播報盲人了解自己周圍的環(huán)境，得知存在障礙物的時候進行避讓，降低了事故的發(fā)生率，讓盲人的安全得到了一定的保障。

圖4 超聲波傳感器

圖4是HC-SR04超聲波傳感器外形示意圖，該傳感器體積小，易于在任何機器中使用。其工作電壓為DC—5V，工作電流為15mA，工作頻率為40Hz，并有四個引腳。VHC-SR04的直接驅(qū)動電源為VCC引腳和GND引腳，并分別用5V電壓和負極連接。控制觸發(fā)信號輸入的是TRIG引腳，在啟動該引腳結(jié)構(gòu)時的高電平至少是10us，超聲波信號通過TRIG引腳進行發(fā)射。ECHO引腳用來接收返回的信號并輸出，進行測量距離的為ECHO引腳[9]。TRIG引腳觸發(fā)測距，當(dāng)檢測到發(fā)射8個40kHz的方波返回時，ECHO引腳輸出高電平，可根據(jù)高電平持續(xù)時間和測試距離公式可得出距離[9]?？諝庵新曇舻膫鞑ニ俣葹?40米/秒，即可計算出所測的距離。計算距離的公式為測量距離=[高電平時間×速度/2][除以2表示，從發(fā)出到接收，測量單位：測量距離(米)、速度(米/秒)、高電平時間(秒)]。同時考慮能夠長時間續(xù)航，則引入太陽能電池板與壓電陶瓷擠壓供電等模塊實現(xiàn)不斷供能[10]，其中壓電陶瓷自主蓄電裝置由三部分組成，通過將柱頭與地面產(chǎn)生的壓力形變轉(zhuǎn)化為電能[11]。

5 北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)

本產(chǎn)品的一大特色就是使用了以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為中心的智能化定位導(dǎo)向信息處理。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是國家為廣大用戶提供全天候、全天時、高精度的定位，導(dǎo)航和授時服務(wù)的重要時空基礎(chǔ)措施，該措施由空間端、地面端、用戶端組成。其中，空間端包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶端包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。它的特點一是采用三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，比其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所擁有的高軌衛(wèi)星更多，抗遮擋能力強，在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢更為明顯；二是它提供多個頻點的導(dǎo)航信號，可以使用多頻信號組合方式提高服務(wù)精度；三是它融合了導(dǎo)航與通信能力，具備定位導(dǎo)航授時，星基增強，地基增強，精密單點定位，短報文通信和國際搜救等多種服務(wù)能力，并且其定位精度優(yōu)于20m，授時精度優(yōu)于100NS，測速精度0.2米/秒[12]。

我們基于這款衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，開發(fā)出以它為中心的智能化信息處理模塊，具體有以下幾個功用：

(1)該模塊利用安卓編寫一個APP，通過北斗定位系統(tǒng)來鏈接導(dǎo)盲杖的藍牙設(shè)置，將具體路線或位置進行傳達與指引。與此同時，監(jiān)護人也可在APP中設(shè)置目的地以及路線，方便盲人或老人使用。另外，還可對常去地進行默認標識，輕松又簡便。

(2)該信息處理模塊可根據(jù)天氣、地形、路況等外界因素和當(dāng)天盲人或老人的身體狀況等內(nèi)部因素進行全局性路線規(guī)劃，同時還具備較大型障礙物規(guī)避與標識能力，鏈接紅外探測等功能完成一體化功能最優(yōu)解。

(3)該模塊利用嵌入式技術(shù)將BDS導(dǎo)航數(shù)據(jù)導(dǎo)入開發(fā)板微處理器，實現(xiàn)定位與導(dǎo)航，同時鏈接用戶信息終端以及監(jiān)護人的手機接收模塊，實現(xiàn)24小時全天候、全方位、全地形監(jiān)控與側(cè)位，保證用戶需要，讓家人安心、放心。

(4)該模塊由北斗系統(tǒng)主動式雙向測距二維導(dǎo)航，地面中心控制系統(tǒng)解算，來供用戶三維定位數(shù)據(jù)。

(5)該模塊還可通過衛(wèi)星拍照來識別周邊大型障礙物和移動車輛，通過語音來提醒盲人。但較之紅外探測，具有一定延遲(根據(jù)信號強弱)。

本產(chǎn)品的核心運行芯片可無差別接收并處理BDS導(dǎo)航的GNSS信號，完成信息端的實際應(yīng)用，具備強大信息化功用能力，體現(xiàn)本產(chǎn)品的先進性[12]。

6 結(jié)論

本文所設(shè)計的全智能手杖較目前市場上已有的產(chǎn)品相比較具有以下優(yōu)勢：

(1)受益群體增加：受益對象由單一的盲人群體推廣到了盲人、老年人以及出行不方便的群體；

(2)形式簡單便捷：增加了伸縮功能，進一步減輕了使用者的出行負擔(dān)，以及最大程度上滿足了使用者的安全感；

(3)手杖柄部身體狀況檢測系統(tǒng)：在手杖柄部增加手環(huán)一是為了增加使用者的使用便利，二是為實時檢測使用者的身體健康狀況；

(4)手杖內(nèi)外部具有可控摔倒辨別系統(tǒng)：當(dāng)手杖倒地時，系統(tǒng)通過辨認倒地方式等因素綜合考慮使用者的情況，若不需要救治，則使用者可通過外部按鈕取消救治警報；

(5)GPS定位：該系統(tǒng)與摔倒辨別以及手環(huán)健康檢測相結(jié)合，及時定位使用者情況，將最新情況告知其監(jiān)護人，達到最快速的、最及時的救治[13]；

(6)超聲波定位與語音播報：該技術(shù)通過超聲波定位來辨別障礙物位置與危險發(fā)生的方位，通過語音播報的方式幫助使用者及時躲避障礙物；

(7)價位低：本文所設(shè)計的類型價格較低，非常適合普通大眾。

致謝：本文在選題、研究和寫作的過程中得到了北部灣大學(xué)理學(xué)院蘇華東教授以及熊益英老師的指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。