智能盲人拐杖的研究與設計

姚旭禹　湯莉莉　黃思嘉　周移　王贊　阮紅玲　王金勇　汪立東

摘 要：該設計研究的目的是通過超聲波傳感器發送超聲波，并且讀取回波使超聲波模塊的芯片產生高電平時間計算出前方障礙物的距離，同時驅動熱釋電紅外傳感器判斷障礙物是人還是物體，經過MCU處理后，通過SPI總線驅動ISD4004芯片將錄好的指定語音播放出去。該設計還可以通過GPS模塊實時定位，使用矩陣鍵盤設定號碼，將定位的坐標通過MCU驅動GSM/GPRS模塊以短信為載體發送到設定號碼的手機上，并且遇到障礙物時可以實現通過語音提示盲人避開障礙。本項目所研究的范圍涉及人體紅外的采集與檢測，超聲波信號的采集，STM32的程序編寫，矩陣鍵盤的設計，GPS接收信息的處理，以及使用AT指令驅動GSM模塊，在電路設計上采用創新節能的設計；在硬件組合上采用模塊化的設計；在軟件編程上采用嵌套調用的編程方案，最終實現盲人避障且可發送經緯度坐標求助的功能。

關鍵詞：紅外熱釋電傳感器 超聲波 語音 GPS 求救短信

中圖分類號：TN98 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0061-02

Intelligent Blind Cane Research and Design

Yao Xuyu Tang Lili* Huang Sijia Zhou Yi Wang Zan Ruan Hongling Wang Jinyong Wang Lidong

（Department of Computer & Information Engineering，Zhixing College of Hubei University，Wuhan Hubei，430011，China）

Abstract：When the purpose of the product design， the study by sending an ultrasonic ultrasonic sensor， and reads the chip ultrasonic echo module generates high time to calculate the distance in front of the obstacle，while driving pyroelectric infrared sensor determines obstacle：Summary people or objects， after MCU processing， through the SPI bus driver ISD4004 chip will record a good player out of the specified voice.This product can also be real-time location through GPS module，using a matrix keyboard to set the number， the coordinates of the location through the MCU drive GSM/GPRS module carrier SMS sent to the phone number set，and an obstacle can be achieved through voice Tip blind avoid obstacles.The scope of the project involves the study of the collection and testing of human infrared，ultrasonic signal acquisition，STM32s programming，matrix keyboard design， processing GPS receiving information，and the use of GSM module AT command-driven，in the circuit design using innovative energy-saving design；the use of the combination of modular hardware design；programming scheme using nested calls in the software program， and ultimately blind obstacle avoidance and latitude and longitude coordinates for help function can be sent.

Key Words：Pyroelectric infrared sensor；Ultrasonic；Voice；GPS；Distress message

盲人是社會中的一個特殊群體，他們不能用眼睛去體驗這個世界的美好，并且在生活中有諸多的不便。隨著科技的日新月異，人們的生活也越來越智能化，智能冰箱，智能空調，智能洗衣機，甚至是家用機器人管家，這些智能化的物品，減少了手動設置的要求，并且多了語音提示，語音操控，自動感應等功能，使得盲人的生活更加便利。

智能盲人拐杖以超聲波傳感器[1]與熱釋電紅外傳感器[2]為主要探測儀器，使用ISD4004語音錄放芯片存儲指定語音，使用GPS模塊定位當前位置的經緯度，并可以驅動GSM/GPRS模塊將包含坐標信息的短信發送出去。當拐杖前方有障礙物時，超聲波模塊探測障礙物和拐杖之間的距離，MCU判斷當前距離是否應該發出提示音，當障礙物的距離達到提示值時，使用熱釋電紅外傳感器判斷障礙物是否是人，判斷并發出合適的提示音[3]。當盲人在外出時遇到突發狀況時，可以一鍵獲取當前位置的經緯度，將信息發送給指定的聯系人，指定的聯系人可以使用可拆卸式的矩陣鍵盤設定。

1 總體硬件系統設計方案

我們所設計的系統主要由硬件系統和軟件系統組成，硬件系統是由超聲波模塊，熱釋電紅外傳感器模塊，ISD4004語音錄放模塊，開關及矩陣鍵盤模塊，GPS模塊，GSM/GPRS模塊，STM32系統板模塊[4]，電源轉換模塊等構成（見圖1）。

2 軟件系統設計

程序流程圖如圖2所示，具體流程如下：首先，接通電源，系統開始工作，超聲波模塊，熱釋電傳感器模塊，GPS模塊，GSM/GPRS模塊[5]，ISD4004語音模塊，聯系人號碼進行初始化，系統開始判斷用戶是否需要一件發送求救短信，若需要則開始讀取GPS的原始數據，使用處理函數將原始數據處理成需要的經緯度后使用GSM/GPRS模塊發送短信，發送短信成功后看門狗定時器停止喂狗，系統復位，不需要則進行探測障礙物的操作。當判斷到前方有障礙物并且障礙物距離人的距離達到提示值時，啟動熱釋電傳感器開始判斷障礙物是否是人，得到結果后播放ISD4004芯片內指定地址的語音來提示盲人，語音播放完成后，繼續檢測是否需要發求救短信和探測障礙。

3 方案難點及關鍵技術

方案難點有：

（1）熱釋電傳感器信號輸出不太穩定，需要相應的算法調節。

（2）將超聲波模塊的信號進行處理使得探測值更加準確。

（3）將GPS的原始數據處理出相應的坐標。

（4）合適的語音提示使得盲人能準確避障。

關鍵技術有：

（1）探測結果的算法處理。

（2）GPS的信號處理。

（3）熱釋電紅外傳感器對紅外信號的處理方法，同時可以設定感應的距離。

（4）使用AT指令控制GSM/GPRS模塊發送短信。

（5）語音芯片播放聲音的實現。

4 系統的測試結果分析

結果分析如下：

（1）拐杖能夠靈敏的探測到前方障礙，并且語音提示使得盲人能夠避障。

（2）能夠用可拆卸式的矩陣鍵盤設定聯系人號碼。

（3）能通過在室外環境下開啟GPS模塊，得到具體是經緯度信息。

（4）GPS模塊得到經緯度信號后，可以通過GSM/GPRS模塊將含有經緯度信息的短信發送到指定人的手機。

5 結語

該智能拐杖使得盲人特別是老年盲人的生活提供便利，省去了老年盲人既要使用盲杖又要使用拐杖的麻煩，使用兩個探測傳感器能有效探測到前方障礙物，通過語音提示使使用者準確避障。當使用者在外出遇到突發狀況如迷路或遇到危險時，可以一鍵發送求救短信。指定聯系人收到含有求救者的經緯度短信后，可以使用電腦或手機在網上輸入經緯度，即可獲取求救者所在位置的具體地圖。

在科技日星月異的今天，智能拐杖的出現可以為盲人這個群體帶來許多便利，并且具有很大的實用價值和市場前景。

參考文獻

[1] 何希才.傳感器技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2] 孫華，李揚.熱釋電紅外傳感器原理及其應用[J].內江科技，2010（12）：116，160.

[3] 王自強，楊景常.基于單片機設計的超聲波測距系統[J].西華大學學報：自然科學版，2004（S1）：72-74，90.

[4] 楊光祥.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢：武漢理工大學出版社，2013.

[5] 趙琳.衛星導航系統[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004.