李鳳桐 顧雅青 李聰

(山東華宇工學(xué)院 山東德州 253034)

目前，我國有1 700 萬盲人，占全球盲人數(shù)量的18%。與發(fā)達(dá)國家相比，我國盲人專用產(chǎn)品和服務(wù)開發(fā)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[1]。視力缺陷是盲人出行的最大難題，目前，我國引導(dǎo)盲人出行的主要方式有建設(shè)盲道、導(dǎo)盲犬、導(dǎo)盲杖引導(dǎo)。這3種引導(dǎo)方式中，盲道破損情況時常出現(xiàn)，非機動車占用盲道的現(xiàn)象也比比皆是，給盲人出行帶來很大不便，甚至可能會帶來人身傷害。而導(dǎo)盲犬因其需要培訓(xùn)的周期很長，需要投入很高的人力、物力，經(jīng)常要花費兩三年才能培養(yǎng)出一只優(yōu)秀的導(dǎo)盲犬，所以應(yīng)用并不普遍[2]。相比之下導(dǎo)盲杖的應(yīng)用更加普遍，然而傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖僅是一根拐棍，只能探索到周圍1 m處是否有障礙物，無法探測更遠(yuǎn)的地方，更無法對緊急情況做出提示，遠(yuǎn)不能滿足盲人的出行需求，盲人迫切需要一種功能齊全的智能導(dǎo)盲杖。而現(xiàn)有的智能導(dǎo)盲杖中，多是利用超聲波原理來識別障礙物，雖能幫助盲人避讓前方障礙物，但功能比較單一，而且反應(yīng)速度慢，影響出行體驗[3]。因此，設(shè)計一款能夠及時發(fā)現(xiàn)前方、上方障礙物，有語音播報功能，且方便盲人夜間出行的智能手杖，對提高盲人的出行體驗感、引導(dǎo)盲人安全出行具有重要的意義。

1 設(shè)計背景

當(dāng)前，我國在智能拐杖方面也有不少的創(chuàng)新，但由于技術(shù)不成熟、成本難以控制等，導(dǎo)致國內(nèi)市場上可供選擇的盲人拐杖非常少。我國導(dǎo)盲杖一般在醫(yī)療器材店銷售，藥店里很少會有導(dǎo)盲杖，一般的大型商場更是難以找到。同時，導(dǎo)盲杖相關(guān)產(chǎn)品選擇少，市面上的導(dǎo)盲杖產(chǎn)品基本上大同小異，只是在材質(zhì)與便攜性上有所不同[4]。通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，使用傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖的盲人占盲人群體的大部分，有1/3的盲人甚至不使用導(dǎo)盲杖，因為他們幾乎不出門，或只在有家人陪同的情況下出門。很大原因在于大部分盲人直接使用的是政府、殘聯(lián)或街道資助的傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖，自己挑選購買導(dǎo)盲杖的盲人只占小部分。因此，我國國內(nèi)市場上的盲用拐杖依舊以傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖為主，給盲人出行帶來很大不便。隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的提高，新一代信息技術(shù)的發(fā)展為智能拐杖提供了技術(shù)保障，國家目前正大力推動“互聯(lián)網(wǎng)+”、云計算等新一代信息技術(shù)，而新一代信息技術(shù)正是智能導(dǎo)盲杖的技術(shù)保障[5]。無論是智能控制、安全防范、共享實時定位，都需要對應(yīng)的傳輸方式以完成對信號的傳輸過程。信號傳輸方式的改進(jìn)、傳輸速度的加快、安全水平的提升都會給智能導(dǎo)盲杖帶來積極改變。

2 智能導(dǎo)盲杖的功能介紹

本研究中的導(dǎo)盲杖選用STM32F 系列單片機為微控制器，總體控制盲杖中的傳感器。利用超聲傳感器來測量盲人與障礙物的距離，通過語音形式將障礙物的信息播報給盲人。利用光照度傳感器來測量盲人行走環(huán)境中的光照強度，如果在天色較暗或者夜晚的情況下，光照較弱時，導(dǎo)盲杖上的LED 燈就會自動打開，讓來往的行人與車輛都能在燈光的引導(dǎo)下看到盲人，及時避讓盲人，保證盲人的出行安全[6]。本導(dǎo)盲杖還安裝了積水探測傳感器，利用該傳感器可以檢測到路面是不是有積水，用蜂鳴報警的形式傳遞給盲人，讓盲人避開積水區(qū)，防止滑倒。

3 智能導(dǎo)盲杖的硬件組成

3.1 杖體總體設(shè)計

本著輕便實用的原則，智能導(dǎo)盲杖體采用的是鋁合金材質(zhì)，攜帶輕便，而且價格不高。杖體是可自由伸縮的設(shè)計，高度調(diào)節(jié)范圍為1.0～1.8 m，不同身高的盲人可根據(jù)自身實際身高自由調(diào)節(jié)高度。處理器、電源模塊以及各種傳感器都安裝在手柄內(nèi)，手柄下部25 cm范圍內(nèi)不能伸縮，用來安裝LED 發(fā)光燈帶。該設(shè)計將燈帶的顏色設(shè)計為紅色，在光照弱或黑暗的情況下，紅色燈很顯眼，容易引起行人及車輛的注意[7]。杖體內(nèi)部是中空設(shè)計，一是為減輕杖體的重量，二是為了將連接傳感器及電源的線內(nèi)置在其中，讓導(dǎo)盲杖外觀更加簡潔。連接線的長度設(shè)計為比杖體最大高度略長，防止拉伸杖體時拉斷連接線。

3.2 微處理控制器

處理器是智能導(dǎo)盲杖中的核心控制部分，功能要齊全，而且價格要便宜。該設(shè)計中選用的是STM32F1032單片機作為微處理器，該處理器不僅功能全，而且功耗比較低，價格也很便宜，能降低設(shè)計成本，適宜推廣應(yīng)用[8]。

3.3 電源模塊

為節(jié)約成本，電源模塊采用的是可充電的9 V 電池。由于導(dǎo)盲杖中各種傳感器的工作電壓是5.0 V，因此，在具體設(shè)計中設(shè)置了一個電壓轉(zhuǎn)換模塊，能轉(zhuǎn)換成傳感器工作需要的電壓。在實際應(yīng)用中，只有超聲波探測傳感器需要一直工作，其余的傳感器不用一直工作。為節(jié)省電源，所有傳感器都設(shè)置按鍵開關(guān)，不用時將電源關(guān)閉，需要時再將開關(guān)打開[9]。例如：在路上行走需要探測路面積水情況時，將對應(yīng)的控制開關(guān)打開，積水探測傳感器就會通電工作，探測路面積水情況，讓盲人避開積水路面。

3.4 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊用來測量盲人與障礙物之間的距離，該設(shè)計采用的是HY-SRF05，該模塊的測距精度高，具有非接觸式感測的功能，實物見圖1，各引腳的作用見表1。在實際中，除腳部障礙物外，面部障礙物也是影響盲人出行的主要障礙。因此，該設(shè)計中采用兩個測距模塊，分別安裝在導(dǎo)盲杖的上、下端，可以檢測盲人腳部與面部附近的障礙物，讓盲人避讓障礙物。

圖1 超聲波模塊實物圖

表1 超聲波模塊各引腳作用

3.5 語音傳感器模塊

該設(shè)計采用的是語言合成芯片模塊，該模塊接受到文本信息后，將文本合成為語言，然后輸出。該模塊有多種編碼形式，不僅支持中文語言，還支持英文字母合成，能夠識別電話、時間、長度符號等一些常見的文本信息，并對其處理后進(jìn)行語音播報。

3.6 光照度傳感模塊

采用BH1750 光照傳感器，分辨率高，能探測光照強度大范圍的變化，光譜靈敏度高，內(nèi)置的用來探測光照強度的光敏二極管幾乎接近人眼反應(yīng)。此模塊的工作原理是：光敏二極管PD 探測到光照后，集成運算放大器會將PD 電流轉(zhuǎn)化為PD 電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換器會獲取由16位數(shù)字組成的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的指令操作可以讀出光照數(shù)據(jù)，如果光照強度小于30 lx 時，LED 燈就會開啟[10]。

3.7 積水探測傳感模塊

目前，市面上的積水探測傳感器多是自帶蜂鳴報警的，不需要微處理器來控制，因此，可以直接單獨接入電源。該模塊的功能是探測路面積水，因此，安裝在導(dǎo)盲杖的底端，距離地面1.0～1.5 cm處[11]。該模塊利用液體導(dǎo)電原理來探測路面積水情況，模塊中有兩個電極探頭探測路面積水，當(dāng)路面有積水時，由于水可以導(dǎo)電，就會導(dǎo)致兩個探頭間形成通路，其內(nèi)置的控制器就會將其轉(zhuǎn)換成開關(guān)量輸出信號，報警器就會被啟動。

3.8 導(dǎo)航定位傳感器模塊

采用追蹤靈敏度高的GPS 模塊，模塊獲取到導(dǎo)盲杖的位置信息、高度和行進(jìn)速度后，就會將獲取的信息傳輸給微處理器，微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，按照目標(biāo)位置選擇最佳的路線，引導(dǎo)盲人更安全地到達(dá)目的地。在實際應(yīng)用中，通過導(dǎo)盲杖位置信息共享，親屬可以通過手機或電腦實時獲取導(dǎo)盲杖的位置信息，更好地了解持杖人的位置信息。如果持杖人位置偏離目的地，或位置信息長時間不更新，親屬可以及時去現(xiàn)場，防止出現(xiàn)持杖人走丟的情況[12]。

3.9 導(dǎo)盲杖底部卡輪

傳統(tǒng)導(dǎo)盲杖需要使用者依靠敲打地面來了解障礙物情況，不僅對障礙物的情況判斷不準(zhǔn)確，而且長時間的敲打地面還會讓使用者出現(xiàn)手臂酸痛的情況，使用體驗感不好。為讓盲人能實現(xiàn)長距離行走，而且使用過程更加省力，該設(shè)計的導(dǎo)盲杖底部采用凹槽卡輪設(shè)計，兩輪之間的距離大于盲道單個凸起的寬度，實物如圖2 所示。使用者不用刻意地去調(diào)整方向，只需讓推導(dǎo)盲杖垂直地面，用手輕推前行即可，確保使用者能在盲道上基本沿直線行走，有效防止出現(xiàn)偏離盲道的情況。

圖2 導(dǎo)盲杖底部卡輪實物圖

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用Keil5軟件開發(fā)工具，程序編寫使用C 語言，整個軟件設(shè)計包括主程序、各傳感器子程序，都是在集成開發(fā)環(huán)境中組合，不僅生成代碼快，而且便于理解。系統(tǒng)設(shè)計的障礙物測量距離為1.5 m（如果距離過小，使用者不容易避開障礙物），即無論是底部障礙物還是面部障礙物，只要與盲人的距離小于或等于1.5 m 時，語音報告系統(tǒng)就會開啟語音播報提醒，讓盲人避開障礙物。白天出行時，可以關(guān)閉光照度傳感器開關(guān)，當(dāng)夜晚或光線較暗的陰天出行時，可以開啟對應(yīng)的開關(guān)，用光照度傳感器來實測盲人行走環(huán)境中的光照強度，當(dāng)外界的光照強度不足30 lx 時，LED 燈就會打開。雨后出行時，打開積水探測傳感器的開關(guān)，當(dāng)路面積水深度超過1 cm 時，傳感器就會蜂鳴報警，提醒盲人注意[13]。

5 實驗結(jié)果及結(jié)論

為了驗證該智能導(dǎo)盲杖的功能可靠性，設(shè)計人員白天在山東華宇工學(xué)院圖書館正門與校門口處進(jìn)行了多次實驗，結(jié)果表明：該新型智能導(dǎo)盲杖的靈敏度高，功能可靠。測試者被不透光的黑布蒙住雙眼，手持智能導(dǎo)盲杖在測試區(qū)域行走，在圖書館門口與教學(xué)樓之間50 m 的路段上設(shè)置的6 個障礙物（如木板、石塊、大樹枝等），可以全部探測到，成功率達(dá)100%；在路面上灑水12 次，檢測到11 次（1 次灑水太少），成功率91.67%，實驗結(jié)果如表2 所示。在學(xué)校門口前40m 到出口處車輛升降桿區(qū)域進(jìn)行多次實驗，主要測試導(dǎo)盲杖對前方障礙物和上方障礙物的檢測情況，檢測成功率100%，實驗結(jié)果如表3所示。天黑以后在學(xué)校隨機選擇多個區(qū)域進(jìn)行光照測試，將區(qū)域內(nèi)光源關(guān)閉后，進(jìn)行多次實驗，LED 燈帶均可亮起，而且燈光比較醒目，很容易引起路人的注意。

表2 圖書館區(qū)域?qū)嶒灲Y(jié)果

表3 門口升降桿區(qū)域?qū)嶒灲Y(jié)果

根據(jù)多次實驗結(jié)果，該新型智能導(dǎo)盲杖在路況簡單的區(qū)域內(nèi)反應(yīng)靈敏，在距離障礙物1.5 m時就有語音播報提醒，讓使用者可以及時避開障礙物，LED燈也能根據(jù)外界環(huán)境的光照情況及時開啟。在實際測試中，當(dāng)路面積水不到1 cm 時，蜂鳴報警器不響；在路況復(fù)雜的路段，有時會出現(xiàn)多次報警的情況；如果障礙物體積過小的話，有可能會檢測不到，這些問題需要后續(xù)改進(jìn)優(yōu)化?？傮w來看，該新型智能導(dǎo)盲杖能引導(dǎo)盲人避開前方與上方較大的障礙物，能夠在光照不足的情況下亮燈，提醒路人避讓盲人，能檢測到路面的積水，讓盲人避開濕滑路段，比起傳統(tǒng)的導(dǎo)盲杖來，功能更加完善，靈敏度更高，為盲人出行提供了便利。