基于Arduino的智能導盲杖的設計

袁世峰，張若雨，劉 春，王玉萍

（鄭州科技學院，河南 鄭州450064）

為減輕盲人出行難的問題，筆者們設計此款智能導盲杖，雖然目前市場上有相關產品，但大多都有缺陷，比如單一的超聲波測距，這樣無法將完整的信息傳送給盲人，也會給盲人帶來一些問題。還有一些專家學者設計出來的相關產品，也都是為了緩解盲人出行問題，筆者們設計的此款智能導盲杖將融合各家之所長，也為緩解盲人出行問題做出一些貢獻。

1 導盲杖的功能設計

導盲杖使用Arduino系列單片機為微控制器，可實現以下功能：①在杖體下部設置超聲波傳感器，利用超聲波傳感器測距工作原理將前方障礙物反應給盲人，利用震動模塊和語音播報模塊將信息傳遞給盲人。②GPS/北斗導航定位，盲人遇到麻煩時，可以按下獨立開關，相關聯人發出位置信息，關聯人憑此可快速找到盲人。③杖身設置MP3模塊，盲人感到無聊的時候，可以播放音樂。④杖身設置一條LED燈，在光敏電阻的控制下，光線暗時亮燈，便于路人看到盲人，緩解盲人夜間出行的壓力。導盲杖功能設計如圖1所示。

圖1 導盲杖功能設計圖

2 智能導盲杖的硬件設置

2.1 微處理器

導盲杖采用的是Arduino Uno R3的開發板，它有14個數字輸入/輸出引腳（其中6個可用作PWM輸出），6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ⅠCSP接頭和復位按鈕。只需要通過USB數據線連接電腦就能供電、下載程序和數據通訊。Arduino是一款簡單能夠快速上手的開源電子型平臺，為導盲杖的設計開發帶來了很大的幫助。

2.2 導盲杖杖體

導盲杖杖身采用碳素復合纖維材質，其原因為：①碳素復合纖維材料的密度是1.6～2.1 g/cm3，所以用它來制作導盲杖質量輕，便于攜帶。②碳素復合纖維強度較高，是普通鋼鐵的5倍。③它的熱膨脹系數低，變形量小。

在杖體中下部設置一個超聲波傳感器，在手柄處設置MP3模塊、蜂鳴器和震動模塊，在杖體中央設置GPS/北斗定位模塊。在導盲杖下部和上部分別設置LED燈帶，增大盲人曝光度，杖體內部中空，用于排線。結合人體工學，導盲杖杖高為1.2～1.3 m，底部可伸縮，可調節合適的尺寸。另外，導盲杖帶有軟塑按摩手柄，手柄中心采用金屬圈加固，手柄表面有凸起的按摩顆粒，貼合手掌靜脈，緩解由于長時間握把造成的疲勞。除此之外，導盲杖還帶有防脫落手繩，由四股強韌尼龍繩編制一體，三維柔彈立體設計，經久耐用。

2.3 超聲波測距模塊

超聲波測距模塊選用的是HC-SR04，采用ⅠO觸發測距，觸發信號輸入端（Trig）輸入一個10 ms以上的高電平信號，超聲發送口收到信號自動發送8個40 Hz方波，同時啟動定時器，待傳感器接收到回波則停止計時并輸出回響信號，回響信號脈沖寬度與所測距離正比，根據時間間隔可以計算距離。

公式為：距離=（高電平時間×聲速）/2。HC-SR04實際測量結果如表1所示。

測距時，被測物體面積不宜少于0.5 m2且盡量要求平整,否則影響測量結果。前方有平滑物體（如圖書封面、鏡面、墻體）與傳感器夾角大于45°（非垂直反射）時誤差明顯，且在5～40 cm范圍內讀數不穩定，其中可能會出現的誤差有三角誤差、鏡面反射、多次反射等。前方有毛衣，毛毯等吸音材料時讀數不穩定。聲波測量角度為30°精度平均正負4 cm。

表1 HC-SR04實際測量結果

2.4 GPS/北斗定位模塊

該模塊采用的是ATGM336H，是一款高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊，出色的定位導航功能，支持BDS/GPS/GLONASS衛星導航系統的單系統定位，以及任意組合的多系統聯合定位，并支持QZSS和SBAS系統。支持A-GNSS和D-GNSS，ATGM336H是一款真正意義的六合一多模衛星導航模塊，包含32個跟蹤通道可以同時接收6個衛星導航系統的GNSS信號，并且實現聯合定位、導航與授時。具有高靈敏度、低功耗、低成本等優勢。

高性能解決方案冷啟動捕獲靈敏度：-148 dBm，跟蹤靈敏度：-162 dBm。低功耗：BDS/GPS雙模連續運行小于25 mA（@3.3V）。內置天線檢測及天線短路保護功能。在定位模塊設置單獨按鍵，當盲人按動按鍵則發出定位信息。

2.5 震動傳感器、蜂鳴器

振動速度傳感器是利用磁電感應原理把振動信號變換成電信號，它主要由磁路系統、慣性質量、彈簧尼等部分組成。輸出信號和振動速度成正比，具有較低的輸出阻抗，較好的信噪比，使用方便。具有較低的使用頻率、可以適用于低轉速的旋轉機器，有一定抗橫向振動能力（不大于10 g峰值）。蜂鳴器采用有源蜂鳴器，接口為KF2510，KF2510接口是一種防反接接口，用對應接口連線可以和KF2510接口擴展板對接，還可以連單芯杜邦線。

2.6 光敏電阻、LED顯示裝置

光敏電阻是用硫化鎘或硒化鎘等半導體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內光電效應。光照愈強，阻值就愈低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1 kΩ以下。當照度下降到設置值時由于光敏電阻阻值上升激發VT1導通，VT2的激勵電流使繼電器工作，常開觸點閉合，常開觸點斷開，實現對外電路的控制。光敏電阻、LED顯示裝置如圖2所示。

圖2 光敏電阻、LED顯示裝置圖

2.7 電源模塊

智能導盲杖選取7.4 V 2串電池組為電源，因為各模塊所需電壓不太高，7.4 V即可滿足，再通過電壓轉化模塊，將7.4 V電壓轉化為各模塊所需電壓5 V或3.3 V。

2.8 MP3播報模塊

MP3播報模塊如圖3所示。

圖3 MP3播報模塊

3 軟件設計

軟件設計使用的是Arduino軟件開發工具，可以快速使用Arduino與Adobe Flash，Processing、Max/MSP、Pure Data、SuperCollider等軟件結合，作出互動作品。Arduino可以使用現有的電子元件例如開關或者傳感器或者其他控制器件、LED、步進馬達或其他輸出裝置。Arduino也可以獨立運行，并與軟件進行交互，這就是Arduino的特點即跨平臺、簡單清晰、開放性。本設計主要包括超聲波測距程序、震動和蜂鳴器程序組成。當中下部超聲波測量障礙物距離小于等于20 cm時，語音播報“請注意，前方有障礙物”；當按下GPS/北斗定位開關后，將會給關聯人發送位置信息。傍晚光線暗時，光敏電阻模塊和LED燈帶模塊會自動開始工作，啟動LED燈帶，增加盲人晚上出行的安全性。整個設計程序執行如圖4所示。

圖4 導盲杖整體設計程序執行圖