基于STM32的多功能智能導盲系統設計研究

張志永++張慶輝

摘要：本系統是針對流行導盲系統功能單一問題而設計，能更好的滿足盲人出行的需要。系統總共包括四個模塊：一，STM32核心處理系統模塊；二，超聲波測距模塊；三，GPRS/GSM定位與通信模塊；四，CCD圖像采集模塊。該系統能能夠實現障礙物的檢測、盲人定位與通信，交通標志的識別，并通過語音提示功能更好的滿足盲人出行需要。

關鍵詞：STM32 導盲系統 CCD圖像采集 超聲波 GPS/GSM

中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0157-02

盲人則一直生活在黑暗的世界中，視力的缺失導致生活、學習、工作上莫大的困難[1]。隨著我國的科技、經濟有了巨大的發展，盲人這一社會中的弱勢群體越來越受到國家、社會和人們的關注和重視。如何更好的解決盲人出行問題，提高盲人融入社會的能力，更人性化的提高盲人的生活質量，這就需要提供更加安全、方便、快捷和經濟的盲人出行輔助系統。

1 系統結構功能及技術原理

本系統在設計中采用功能強大的STM32作為主控制處理器，采用超聲波測距的方法來檢測障礙物，主控制處理系統接收來自超聲波測距系統測得的距離信號并進行處理，當距離小于一定值時表示有障礙物。CCD圖像采集系統主要是對相關的道路信息和交通標志進行圖像采集，并通過相關的圖像處理算法與技術進行圖像處理，獲取我們需要的顏色和圖像輪廓等圖像信息，用于識別盲道、人行道和紅綠燈等交通標志。GPS/GSM定位與通信求助系統主要用來實時掌握盲人出行所在的位置信息并可與家人保持通信聯系。語音提示功能選擇WT588D語音芯片來實現，可以預存需要播報的語音，并通過STM32來實現控制播放。

1.1 超聲波測距檢測障礙物工作原理

在系統設計中就采用超聲波測距方法來檢測盲人出行中的障礙物。超聲波測距通常被稱作回聲探測法，利用超聲波定向傳播能在遇到的物體表面發生發射現象的特點而實現的一種檢測方法。渡越時間法就是記錄發射超聲波信號到接收到反射回來信號所用的時間為t，超聲波的速度已知，計算出盲人到障礙物的距離L，公式如下[2]：

超聲波的在空氣中的傳播速度與溫度T有關，關系式為[3]：

公式中：L—盲人到障礙物的距離；0—溫度T=0℃時超聲波傳播速度約為331.4m/s；—溫度為T超聲波在空氣中的傳播速度；t—超聲波從發射到接收傳播時間；T—溫度。

1.2 CCD圖像采集系統工作原理

1970年美國的貝爾實驗室W.S.Boyle和G.E.Smith等人發現了電荷通過半導體勢阱發生轉移的現象，隨后他們建立的一維勢阱模型非穩態理論奠定了圖像傳感器發展的理論基礎[4]。CCD圖像傳感器電荷產生的光注入法：當光照射到光敏元件硅片上時，在柵極附近的半導體內產生電子一空穴對，其多數載流子被柵極電壓排開，少數載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷，再經過模/數轉換器處理后變成數字信號，數字信號以一定格式壓縮后存入緩存內，然后圖像數據根據不同的需要以數字信號的方式輸出。光注入電荷公式[5]：

公式中：—光注入產生的電荷總量；—光敏材料的量子效率；—電子電荷量；—入射光子流速率；—光敏單元的受光面積；—光注入時間。

1.3 GSM/GPRS 定位與通信系統原理

該GSM/GPRS定位與通信系統把GPS的定位功能和GSM/GPRS的通信及網絡定位功能集成在一起，能夠提高定位與通信傳輸的性能[6]。盲人在自己迷路的情況下可以通過按鍵向導盲系統定位與通信系統發出定位請求，系統在接收到請求后，系統開始進行定位服務。盲人得到位置信息獨立做出判斷，是自己可以獨立尋找路徑，或者把位置信息以短信或者網絡通信的方式發給家人，由家人引導路徑，實現盲人便利出行。

2 導盲系統硬件設計

系統硬件電路包括超聲波測距電路模塊、CCD圖像采集電路模塊、GSM/GPRS定位與通信電路模塊、STM32核心控制電路模塊、語音提示電路模塊等幾個部分。其中定位與通信模塊選用比較通用的集成SIM900來實現需求功能，核心控制電路采用STM32單片機最小系統。

2.1 超聲波測距系統電路設計

超聲波測距電路分為兩個部分：超聲波發射電路和超聲波接收電路，電路設計如圖1導盲系統電路設計圖所示。

2.2 CCD圖像采集系統設計

在設計中圖像采集部分選用ICX248AL圖像傳感器芯片，是由SONY公司生產的一款（即鏡面對角線毫米）的隔行轉移型固態圖像傳感器，該芯片由中間感光陣列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和輸出放大器四個主要部分組成[7]。它實現全幀靜態圖像采集并采用了HAD傳感器技術，使它能夠實現高靈敏度和低暗電流。由于ICX424圖像傳感器芯片輸出信號電壓峰峰值比較低為了獲取滿足圖像信息處理芯片模數轉換的使用范圍，需要對ICX424AL芯片輸出信號進行放大處理，電路設計如圖1導盲系統電路設計圖所示。

3 導盲系統軟件設計

該導盲系統采用微型控制器STM32作為導盲系統軟件的核心控制模塊，通過各個傳感子模塊分別獲得盲人出行生活中的道路交通情況，例如道路障礙物、所處位置、盲道及人行道信息和交通標志信息引導盲人方便安全出行。系統主程序流程圖如圖2所示。

4 結語

在充分了解現在導盲設備的發展的基礎上，根據盲人實際出行需要以及現有導盲系統局限性，設計了該多功能導盲設備，是盲人方便安全出行。但本系統再設計中仍有需要改進的地方，例如：在檢測盲人前面障礙物的基礎上，可以再加兩組超聲波設備檢測盲人左右障礙物情況；定位與求助模塊可以利用現有地圖導航功能，提示盲人公交站、飯店、超市等等生活中必需去的地方。

參考文獻

[1]王冠生，鄭江華等.盲人導航/路徑誘導輔具研究與應用綜述[J].計算機應用與軟件，2012，29（12）：147-151.

[2]易藝婷.導盲系統中的障礙物檢測方案設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

[3]王慧.基于總線的超聲波測距儀的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2007.

[4]黃建凡.多CCD圖像采集平臺的設計與實現[D].南京：東南大學，2014.

[5]顧一.基于CCD的圖像采集和處理系統[D].杭州：浙江大學，2008.

[6]姜西瑞.基于GPS和GSM/GPRS的定位系統的設計與實現[D].北京：中國科學院計算機技術研究所，2006.

[7]朱冰蓮，杜培強等.FPGA控制下面陣CCD時序發生器設計及硬件實現[J].電子科技，2011，24（6）：127-130.

收稿日期：2016-09-01

作者簡介：張志永（1990—），男，河南周口人，河南工業大學信息科學與工程學院 2015級碩士研究生，專業：計算機技術，研究方向：人工智能與

信息處理。