新一代盲人智能導航系統的設計與實現

苗琳琳 鹿馨云 曹光輝

摘 要：本文以盲人新一代導航系統為背景，通過應用超聲波傳感器、蜂鳴報警器、語音播報器、光敏傳感器等眾多傳感設備，設計了基于51單片機智能盲人導航系統。該導航系統主要實現對盲人前進路上障礙物進行分段距離提醒以及夜間照明功能。為新一代盲人導航系統的產業化提供一種新思路和新方向。

關鍵詞：51單片機 語音播報器 超聲波傳感器 光敏傳感器

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0003-02

城市化的高速發展在給人們帶來便利的同時，也為殘疾人，尤其是盲人帶來了諸多不利。傳統意義上，盲人出行主要依靠單一手杖和盲道的方式將不在適用。與此同時，物聯網技術的迅猛發展，使得利用相關傳感器設計新一代盲人導航設備成為可能。在此背景下，本文設計與實現了基于51單片機智能盲人導航系統。

1 智能盲人導航系統整體框架

51單片機接收光敏傳感器傳來的光強信息，當光線強度高于或等于設定閾值時，采用白天導航策略；當光線強度低于設定閾值時，采用夜間導航策略。整體框如圖1所示。

1.1 白天導航策略

白天導航策略主要采用接力式預警、報警方案。利用超聲波測距模塊探測障礙物的位置信息，測量盲人與障礙物之間的距離，當障礙物和盲人距離小于3m時，蜂鳴報警器響起，同時距離越小，蜂鳴器警音越急促；當障礙物和盲人距離小于0.8m時，語音模塊發出預警，提示用戶及時避讓，保護盲人行走時的安全問題。

1.2 夜間導航策略

夜間導航策略是在白天導航策略的基礎上增添了夜間照明功能。夜間照明系統實現的思路是，當單片機從光敏傳感器中接收到的外界光強低于設定閾值時，單片機驅動繼電器，進而點亮LED等，從而為盲人提供存在性保護。

2 硬件系統的實現

導航系統主要包括超聲波測距傳感器、蜂鳴器、語音播報模塊、光敏傳感器等。

2.1 超聲波測距傳感器

測距是盲人導航系統中關鍵且核心的一步。本系統測距傳感器采用US-100超聲波測距模塊，該模塊可實現2～4.5m的非接觸測距功能。US-100超聲波測距模塊具有兩種測距方式：電平觸發測距，串口觸發測距。這里采用電平觸發測距實現盲人和障礙物距離的測量。本系統電平測距采用的原理是，通過51單片機p2.3引腳發出高電平信號，觸發超聲波傳感器引腳2。然后，該傳感器發出8 個40kHz的超聲波脈沖，并檢測回波信號。當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據當前溫度對測距結果進行校正，將校正后的結果通過Echo管腳輸出。Echo端輸出一高電平，可根據此高電平的持續時間來計算距離值。即距離值為：（高電平時間×340m/s）/2。

2.2 蜂鳴器

蜂鳴器是當測距傳感器發現特定范圍內障礙物時，對盲人進行聲音提醒的一種方式。本系統采用Risym 0905有源蜂鳴器模塊，高電平觸發蜂鳴器報警。該蜂鳴器實現的功能是當障礙物距離盲人在3m和0.8m之間時，蜂鳴器鳴叫。為了告訴盲人，障礙物的遠近，蜂鳴器采用不同頻率鳴叫。頻率越高，或叫聲越急促，距離越近。本系統報警聲音的急促和舒緩是通過調整相鄰兩次蜂鳴時間的間隔來實現的。距離越遠，間隔時間越長。隨著距離的逼近，間隔時間逐漸縮小。這里值得一提的是，蜂鳴器是振蕩發聲的，如果一直置1或者一直置0，蜂鳴器是不會響的。因此，這里蜂鳴器0，1交替賦值。

2.3 語音播報模塊

語音播報是較蜂鳴器報警的進一步人性化體現。當障礙物距離盲人小于0.8m時，語音播報響起。本系統采用QJ008M01語音模塊。當接收到由51單片機串口發出的播報指令7E 02 01 EF時，開始播報語音模塊內已經放置好的語音文件。語音文件的放置可由USB直接連接電腦，通過電腦傳輸到語音模塊的FLASH即可。考慮到QJ008M01語音模塊的高級性，播報內容可任意設置。播報順序可任意指定。此外，語音播報模塊通過與其直接相連的揚聲器發聲。

2.4 光敏傳感器

夜間行走對于一個健康的人來說都是不安全的，對于一個盲人，其危險程度可想而知。為了盡最大努力幫助盲人夜間的行走。本系統基于光敏傳感器并結合繼電器和LED燈，設計了一個夜間燈光照明系統。首先設定光敏傳感器響應閾值，當51單片機檢測到光敏傳感器傳回的光強度低于設定閾值時，單片機驅動繼電器打開LED燈，進而實現通過照明系統保護盲人夜間行走。

3 軟件系統的設計流程

首先，單片機初始化，包括設定時鐘頻率、串口配置、定時器中斷、光強閾值以及讀取光敏傳感器返回值的時間間隔等工作，然后進入大循環階段。大循環階段包括按照預設時間周期性地檢測光敏傳感器傳來的光強，若獲取的光強高于或等于設定閾值，完成白天保護策略，及階梯式實行蜂鳴器預警以及語音播報；若光強低于設定閾值，啟動燈光照明系統以及階梯報警功能。具體流程如圖2所示。

4 結語

本文設計并實現了新一代盲人智能導航系統。該系統基于光敏傳感器，實現依據光強采用白天和夜間模式保護盲人行走。系統實際測試效果良好，為新一代盲人導航提供了新的思路和方向。

參考文獻

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