基于GPS/GSM及超聲波測距的智能導盲手杖設計

黎文炎+段淑玉

摘要：隨著城市交通的迅速發展，視障人士的出行面臨著巨大的挑戰，傳統的盲杖已經不能滿足他們安全出行的需求。為了解決盲人出行難的問題，該文設計了一款智能導盲手杖，該手杖基于Arduino UNO單片機輔以GPS定位模塊、超聲波測距模塊、GSM模塊、語音模塊等，可實現實時定位、遇障報警、發送短信、撥打緊急聯系人電話等多種功能。手杖采用語音播報和按鍵操作方式進行人機交互。該智能盲杖功能較齊全，各模塊體積小、成本低，易于規模化生產。

關鍵詞：Arduino 單片機；智能手杖；GPS；GSM；超聲波測距

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）35-0263-03

據不完全統計，中國存在1400余萬視障人士，社會上與導盲相關的電子產品種類很多，功能越來越完善，各具特點。比如導盲眼鏡、智能車等產品普遍存在。在國外，新加坡國立大學所設計的導盲手杖融入了諸多科技元素，依靠定位系統及感應器等內置設備掌握行進方向[1]。在國內，北京理工大學研發的導盲手杖通過超聲波檢測障礙物，再通過語音芯片將障礙物信息告知盲人，從而實現避障功能。貴陽學院的古訓[2]等制作了一款導盲手杖原型，能實現定位、障礙物測距以及聲光報警等功能，但不支持撥打和接聽緊急聯系人電話。

以上電子產品雖然功能完備，但不具備通訊功能，且價格昂貴，不易推廣。盲人數量一直在增加，研發一款功能完善、操作簡單、價格低廉的導盲手杖是有必要的。本文設計的導盲手杖基于模塊化設計思想，根據其功能需求精選市面上成熟的產品模塊進行組裝調試而成，具備GPS定位、GSM通信（發送短信、撥打電話及接聽電話）、超聲波測距、語音播報等功能，體積小，精度高，成本低，操作簡單，易擴展，便于進一步研究及投產。

1 系統硬件介紹

1） 主控板——Arduino UNO單片機

Arduino UNO單片機是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板[3，4]。UNO以ATmega328為核心處理器，可通過USB接口、外部直流電源插座和電源連接器GND和VIN引腳三種方式供電。采用16MHz晶體振蕩器產生振蕩頻率，同時具有6路模擬輸入和6路PWM輸。通過RX（0號引腳）和TX（1號引腳）進行數據串口通信，且包括SPI通信接口。2個外部中斷可同時觸發、上升沿和下降沿觸發，有利于控制各個任務優先級。可通過按鍵觸發進行復位，利用ICSP header直接下載程序到ATmega328。因其體積小，拓展容易，程序下載方便，數據IO口多，故適合本設計。

2） 超聲波測距模塊——HC-SR04

超聲波測距的原理如圖1所示，超聲波發射端T發出超聲波信號，當超聲波信號遇到障礙物反射回來，被接收端R接收，超聲波發生器與障礙物的距離S計算公式如下：

S=（Δt *v）/2 （1）

其中，Δt為發出超聲波到接收到返回信號的時間，v為超聲波在空氣中的傳播速度（假設不考慮空氣中的水蒸氣與其他雜物的影響，超聲波在常溫下的傳播速度是340米/秒[5]）。

HC-SR04超聲波模塊性能穩定，精度高，測度距離精確，盲區小[6]，主要應用于測距避障、倒車提醒等場合。該模塊具有VCC、GND、TRIG（控制端）、ECHO（接收端）4個端口。探測距離范圍為2cm-400cm，精確度可高達0.3cm，感應角度不大于15度，因此適用于短距離且偏離角度小的測距。工作原理：通過觸發TRIG IO口給模塊提供至少10us的高電平（模塊自動發送8個40KHz的方波），自動檢測信號返回情況，有信號返回時IO口ECHO輸出高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。該模塊通過測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間來計算障礙物距離，如公式（1）所示。本設計通過HC-SR04超聲波模塊和ASR M08-A語音模塊配合使用，實現在設定距離范圍內障礙物提示作用，提醒盲人注意障礙物小心行走。實物如圖2所示。

3） 定位及通信模塊——YIXIN_SIM808_A

采用SIMCOM公司YIXIN_SIM808_A 模塊，該模塊是一款高性能工業級的GSM/GPRS/GPS三合一模塊且完全兼容Arduino，也方便嵌入到其他 MCU 系統中使用[7]。其中，GPS（Global Positioning System， 全球定位系統）目前主要應用于防盜、行駛路線監控、物流車輛監控[8]、車輛定位[9]場合，具有定位時間短、定位精度高等特點。GSM/GPRS無線通信適用于全球各地區，可以低功耗實現語音、短信、彩信和傳真信息的傳輸。在本設計中，該模塊主要實現獲取位置信息、發送位置信息至指定手機、撥打設定電話、接聽來電等功能，采用串口發送AT指令與單片機進行通信。

4） 語音模塊——ASR M08-A

ASR M08-A非特定人語音模塊可實現語音識別和語音播報，支持讀取TF卡中語音文件，通過串口輸出與單片機或其他外設進行通信。本設計中使用該模塊的語音播報功能，實現障礙物距離播報、來電提醒、短信發送情況提示等。在進一步的研究中，可利用其語音識別功能，用語音代替按鍵輸入來控制導盲手杖的各項功能使用。

2 系統軟件設計

本設計以Arduino UNO單片機為主控芯片，結合 YIXIN_SIM808_A 模塊、HC-SR04超聲波模塊、ASR M08-A語音模塊等，實現定位、通信、語音播報、障礙物測距等功能。各模塊具體功能描述如下：

1） Arduino UNO單片機，主控單元，控制著整個系統，處理核心是ATmega328處理器；

2） YIXIN_SIM808_A 模塊，實現GPS定位和GSM通信。通過GPS獲取盲人行走的位置信息，當盲人在行走過程中遇到特殊情況，手動按下手杖的發送短信按鍵，將一條短信發送到緊急聯系人的手機上，短信內容為單片機解析GPS模塊獲取到的定位信息（即經緯度）；也可以按下通話按鍵與指定家人進行通話；同時支持家人撥打手杖上的手機號碼；endprint

3） HC-SR04超聲波模塊， 實時檢測盲人前方障礙物的距離，當檢測到有障礙物后通過與設定的距離進行對比，條件滿足時單片機通過串口向語音模塊發送指令使語音播放內存卡里面的語音文件；當有電話進來，將停止測距，直到掛斷電話，恢復測距；

4） ASR M08-A語音模塊，進行來電提示、短信發送情況提醒、距離提示，指導盲人進行操作和安全行走；

系統框圖如圖3所示，系統流程圖如圖4所示。

3 系統測試與分析

本系統采用模塊化思想進行設計，以Arduino UNO單片機為基礎，由 GPS/GSM 模塊、超聲波模塊、語音模塊和電源模塊組成，各模塊協同工作，實現智能手杖的定位、通信、障礙物測距、語音提示等功能，系統原理圖如圖5所示。

3.1 GPS定位及短信通知功能調試分析

本設計采用GPS對外出盲人的位置信息進行實時定位以防止其走失。盲人在遇到特殊情況時可按下手杖的按鍵將位置信息通過SIM808的GSM模塊發送到指定家人的手機上，其連線如圖8所示。同時，GPS獲取的定位信息可以在Arduino IDE串口監視窗口中看到。

為測定GPS獲取到的位置信息的準確性，將 “百度地圖”上查詢到的地點位置信息與該模塊獲取的信息作對比，其結果如表1所示。

從表4可以看出，GPS獲取到的位置信息與“百度地圖”上顯示的坐標信息有誤差，誤差產生的原因主要有信號的傳播誤差、接收機誤差等[10]。但該誤差較小，在可接受的范圍內。

再調試位置信息的發送功能。開啟電源后，待SIM808模塊上的指示燈大約3秒閃爍一次，表示模塊工作正常，此時按下發送短信的按鍵，等待約5秒，待語音提示“定位發送成功”，手機接收到GPS定位信息，如圖6所示。

3.2 超聲波測距與語音播報功能調試分析

導盲手杖作為盲人出行的輔助工具，準確測量障礙物距離是其重要功能。本設計通過HC-SR04超聲波測距模塊和ASR M08-A語音模塊來實現障礙物距離提示，其連線圖如圖8所示。

根據實際情況，設定語音播報距離范圍：從60cm到100cm，每10cm范圍播報相應距離值，100cm—120cm，偶數距離播報相應的距離值。當超聲波測量到前方障礙物距離與設定相符時，語音模塊播放SD卡的語音文件，提示使用者注意障礙物，避免碰撞。表2、3為超聲波測距精度與語音播報測試結果。

從表2、3可以看出，超聲波在室內和室外所測的距離與實際距離存在一定的誤差，誤差范圍在0-2cm之間。造成這些誤差的原因主要是測量環境的溫度、濕度等因素帶來的聲速偏差，以及超聲波發射出與計時器開始計時之間的時間差、回波到達與被檢出之間的時間差等[10]，其中環境溫度造成的誤差可通過溫度補償算法來減小。但該誤差在可接受的范圍內，并不會影響語音播報模塊，達到本設計的基本要求。

3.3 導盲手杖的總體功能測試及分析

將各模塊進行調試，確認各個模塊的功能均滿足設計要求后，進行組裝，實物如圖7所示。經測試，該系統整體性能穩定，精度高，操作簡單。

4 總結與展望

本文自主設計一款低成本的基于Arduino UNO單片機的智能導盲手杖，該手杖具有超聲波測距、語音播報距離、短信發送GPS定位信息、語音通話等功能。測試結果顯示，該智能導盲手杖較好地實現了預期設計的功能，且整體性能穩定。隨著大量傳感器技術的融入和無線通訊技術的迅速發展，智能手杖在實現導盲避障功能的同時可兼容導航、健康狀況檢測等功能，為視障人士提供更加安全、便捷的出行保障。

參考文獻：

[1] 佚名. 融入定位及傳感器技術的導盲手杖[J]. 金卡工程， 2012（1）：65-65.

[2] 古訓， 張仁興. 多功能智能導盲手杖設計與實現[J]. 貴陽學院學報：自然科學版， 2016， 11（4）：40-45.

[3] 程晨， Arduino開發實戰指南AVR篇[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

[4] 王力群， 林朝輝. 基于Arduino UNO平臺的多適配性無人機避障技術[J]. 科技創新導報， 2016（9）：18-19.

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[6] 李方旭， 馬彬瀚， 丁偉，等. 基于HC-SR04超聲波傳感器的智能避障小車設計[J]. 科技創新與應用， 2016（34）：26-27.

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[10] 黃毓芯. 一款多功能智能手杖的設計與研究[D]. 華僑大學， 2015.endprint