鄭安豫, 王 俊,2, 周 銳

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 安徽 合肥 230051;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心, 安徽 合肥 230022)

0 引言

伴隨社會(huì)的發(fā)展，作為一個(gè)特殊的群體，殘疾人生活質(zhì)量的關(guān)注度逐步提高。除了在生活工作中給予平等對(duì)待、不歧視之外，殘疾人生活所需的各種輔助設(shè)備也在不斷的朝著智能化方向發(fā)展。

根據(jù)中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì)的《全國(guó)殘疾人人口基礎(chǔ)庫(kù)主要數(shù)據(jù)》，截至2018年12月31日，我國(guó)視力殘疾人數(shù)量約為410.8萬(wàn)。與盲人數(shù)量不對(duì)稱(chēng)的是，中國(guó)的導(dǎo)盲犬的數(shù)量驚人的少。盲杖作為盲人的生活輔助用品，作用就尤其重要。隨著社會(huì)的發(fā)展和盲人對(duì)盲杖應(yīng)用的實(shí)踐，促進(jìn)盲杖的結(jié)構(gòu)和使用方法有了長(zhǎng)足的改進(jìn)。由起初簡(jiǎn)單的棍棒，升級(jí)為更具應(yīng)用效能的各種盲杖等；盲杖材質(zhì)也更加輕便，外觀也更加醒目，從而全面提升盲杖使用體驗(yàn)感和滿(mǎn)意度。

近年，對(duì)盲杖的改進(jìn)主要在盲杖的材質(zhì)，形態(tài)，使用的舒適度等方面進(jìn)行升級(jí)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的來(lái)臨、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，各種生活用品、家居用品、社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的智能化發(fā)展如火如荼。盲杖的智能化也順利成章。

文章提出了一種基于單片機(jī)的智能盲杖設(shè)計(jì)。保留了傳統(tǒng)盲杖輕便、舒適的特點(diǎn)之外，還增加了智能化模塊，使盲杖能夠提供更多智能化的功能。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 導(dǎo)航

進(jìn)入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之后，智能手機(jī)應(yīng)用也走進(jìn)普羅大眾的方方面面。地圖APP作為一種常見(jiàn)的智能手機(jī)應(yīng)用，具有定位、導(dǎo)航等功能，目的地的輸入也支持語(yǔ)音輸入，對(duì)盲人的使用沒(méi)有太大的障礙。由于身體限制，盲人對(duì)路徑導(dǎo)航的需求較常人更為迫切。但由于手機(jī)語(yǔ)音播報(bào)聲音較小，在喧囂的街道環(huán)境中需要貼近耳朵才能聽(tīng)清，如果使用耳機(jī)聽(tīng)取導(dǎo)航播報(bào)，雖然能夠聽(tīng)清楚導(dǎo)航播報(bào)語(yǔ)音，但是帶上耳機(jī)會(huì)影響盲人對(duì)周?chē)h(huán)境的判斷。綜合來(lái)看，弊大于利，使用耳機(jī)并不是最佳方案。

為解決上述問(wèn)題，文章設(shè)計(jì)了藍(lán)牙模塊連接手機(jī)，并設(shè)置揚(yáng)聲器來(lái)輸出手機(jī)的導(dǎo)航音，盲人在喧鬧的街道中也能清晰地聽(tīng)到導(dǎo)航播報(bào)語(yǔ)音，滿(mǎn)足盲人對(duì)導(dǎo)航的使用需求。

1.2 GPS定位

在生活實(shí)際場(chǎng)景中，當(dāng)盲人由于各種原因需要向他人發(fā)出求助時(shí)，需要向求助方描述身處的位置。常人一般會(huì)描述身處的環(huán)境特征、標(biāo)志性建筑、路名等信息，由于盲人很難獲取上述環(huán)境信息，無(wú)法向求助方描述準(zhǔn)確位置，給求助帶來(lái)麻煩。

為了解決上述問(wèn)題，文章中設(shè)計(jì)GPS模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)獲取當(dāng)前所處的精準(zhǔn)位置，并通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)通知使用者。被求助方可以通過(guò)GPS位置信息來(lái)獲取使用者的精確位置，為幫助掃清障礙。

1.3 超聲避障

傳統(tǒng)盲杖在使用時(shí)，使用者用手臂驅(qū)使盲杖與障礙物發(fā)生碰撞，并感受碰撞反饋回的信息，來(lái)判斷障礙物的位置。這種使用習(xí)慣需要大量的訓(xùn)練才能達(dá)到熟練使用，即使熟練使用后，仍然會(huì)有各種意外情況導(dǎo)致判斷出錯(cuò)。

基于此，文章中設(shè)計(jì)了超聲模塊與蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用超聲模塊不停檢測(cè)前方障礙物，如果遇到障礙物，通過(guò)蜂鳴器通知使用者。

1.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)智能盲杖系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)造如圖1所示。手機(jī)的路徑導(dǎo)航系統(tǒng)已非常成熟，不需要重新設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了藍(lán)牙喇叭來(lái)連接手機(jī)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航語(yǔ)音的播放，使用前將藍(lán)牙信號(hào)配對(duì)好，使用中無(wú)需進(jìn)行其他設(shè)置。

圖1 智能盲杖系統(tǒng)構(gòu)造

2 硬件選擇

2.1 單片機(jī)處理器

單片機(jī)作為系統(tǒng)的計(jì)算與控制中心，在智能盲杖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理量不是特別大，因此，考慮采用AT89C55單片機(jī)。AT89C55是一種低功耗，高性能的8位CMOS單片機(jī)，與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)80C51指令集與引腳完全兼容，內(nèi)部有256字節(jié)的RAM，20字節(jié)程序存儲(chǔ)器，32個(gè)I/O端口，3個(gè)16位定時(shí)器，8個(gè)中斷源。

2.2 語(yǔ)音模塊

作為系統(tǒng)的輸出接口，語(yǔ)音模塊有多種選擇，本系統(tǒng)采用科大訊飛推出的一款高性?xún)r(jià)比的中文語(yǔ)音合成芯片，型號(hào)為XFS3031CNP。該芯片通過(guò)UART接口接收待合成的文本，把文本合成為語(yǔ)音輸出，可以采用GB2312、GBK、BIG5和UNICODE四種編碼方式。芯片支持英文字母的合成，遇到英文單詞時(shí)按字母方式發(fā)音。另外，芯片還具有智能文本分析功能，對(duì)常見(jiàn)的數(shù)值、電話(huà)號(hào)碼、時(shí)間日期、度量衡符號(hào)等格式的文本，芯片能夠根據(jù)內(nèi)置的文本匹配規(guī)則進(jìn)行正確的識(shí)別和處理。系統(tǒng)的語(yǔ)音模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 語(yǔ)音模塊結(jié)構(gòu)

2.3 GPS/北斗模塊

為了精確獲得當(dāng)前的定位信息，系統(tǒng)通過(guò)和芯星通生產(chǎn)的UM220定位芯片，支持GPS/北斗雙系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙模定位。UM220內(nèi)置6軸MEMS器件，可直接輸出GMSS與MEMS組合定位結(jié)果。模塊通過(guò)天線(xiàn)獲取信號(hào)后支持TXD、RXD串口輸出，方便信息處理。UM220結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。系統(tǒng)設(shè)置有啟動(dòng)按鈕，每次按下按鈕，觸發(fā)軟件中的中斷，利用語(yǔ)音播報(bào)模塊向使用者播報(bào)位置信息。

圖3 UM220結(jié)構(gòu)圖

2.4 超聲傳感器

超聲波測(cè)距、避障在機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛的運(yùn)用。超聲波發(fā)射裝置向外發(fā)射出超聲波，遇到障礙物會(huì)產(chǎn)生回波，接收裝置接收到回波。從發(fā)射出超聲波到接收到超聲波，之間的時(shí)間差為

T

，根據(jù)

T

可以計(jì)算出盲杖與障礙物之間的距離

S

，其計(jì)算公式如下。

式中，

C

為超聲波在空氣中的傳輸速度。當(dāng)距離

S

小于限定值

SL

之時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出報(bào)警。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，利用KeiluVision4將代碼編譯成HEX文件，通過(guò)燒錄軟件將編譯后的HEX文件寫(xiě)入單片機(jī)，單片機(jī)上電執(zhí)行代碼邏輯。

盲杖使用開(kāi)關(guān)打開(kāi)之后，單片機(jī)上電并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。超聲避障處理是一個(gè)循環(huán)，每隔0

.

2秒計(jì)算障礙物的距離，如果距離超過(guò)設(shè)定的警戒值，利用蜂鳴器觸發(fā)報(bào)警。系統(tǒng)超聲避障的處理流程如圖4所示。

圖4 超聲避障流程

定位、語(yǔ)音播報(bào)通過(guò)按鈕觸發(fā)中斷實(shí)現(xiàn)，使用者按下按鈕，中斷函數(shù)從GPS

/

北斗模塊中獲取定位信息，利用語(yǔ)音合成模塊向使用者播報(bào)定位信息。中斷執(zhí)行結(jié)束之后，重新回到超聲避障循環(huán)處理，為使用者提供避障服務(wù)。中斷處理流程如圖5所示。

圖5 定位播報(bào)流程

4 總結(jié)

文章設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能盲杖系統(tǒng)，通過(guò)超聲模塊實(shí)現(xiàn)障礙物自動(dòng)報(bào)警，利用支持GPS

/

北斗雙系統(tǒng)的定位芯片實(shí)現(xiàn)定位并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，豐富了盲杖的功能，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了盲杖使用的智能化。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，單片機(jī)與各模塊的成本低廉。基于單片機(jī)的智能盲杖系統(tǒng)，為盲杖的功能擴(kuò)展提供了思路，為進(jìn)一步改善盲杖的功能提供了探索。