一種盲人智能插座轉接器

文/路佳杰（大連理工大學）

由于眼睛無法感知，盲人使用家電時通常根據記憶習慣確定插座位置，先要用手摸到面板插座的插孔，再將插頭插入。在公共陌生的場合，由于空間很大，又不熟悉環境，尋找并插入插座更加困難，也存在較大的觸電安全隱患。本文基于藍牙通信、語音導航、超聲波測距、單片機控制等原理，設計了一種盲人智能插座轉接器，包括盲人遙控器、智能插座和盲人專用插頭3 個部分，通過將藍牙模塊、測距模塊和語音模塊等與單片機的有機結合，實現了盲人使用電器時智能輔助尋找和安全順利插入插座的功能。

一、盲人智能插座的研究現狀

目前市場上的盲人插頭插座還處于研究之中，并沒有具體的產品公開，其實現方法主要是對普通插頭插座進行改進。研究者們或是設計自凹陷式結構[1]，或是在插座表面增加滑軌[2]，或是加入蜂鳴器和復位開關[3]，這些方式都可以方便盲人順利插入插座插孔，但不便于盲人找到插座，且插入過程中存在觸電風險。另有研究者在插座中加入了定向保護結構[4]或磁性引導裝置[5]，方便了插入，也減小了觸電風險，但使用時不便于盲人找到插座，實際操作時盲人難以精確對準，且該設計成本相對較高，實現難度較大。

據不完全統計，目前全國共有盲人600 多萬，盲人對各種電器的使用需求很大，研究一款能有效解決盲人使用時難以順利插入、精確對準和存在觸電危險的問題的盲人專用智能插座轉接器，十分必要。

二、研究方案

1.設計原理

設計的智能插座轉接器系統主要包括盲人遙控器、智能插座和盲人專用插頭3 個部分。盲人遙控器上設置有盲文按鈕，且內部集成有主控模塊（單片機）和主藍牙模塊；智能插座內設置有從藍牙模塊、測距模塊、控制模塊（單片機）、語音模塊（語音發聲模塊）和電源轉換模塊（繼電器模塊）。系統設計如圖1 所示。

圖1 系統設計圖

盲人專用插頭設計為一個插頭轉接器，其一端留有普通孔洞，可由普通家用電器插入連接起來，另一端設計為錐形頭結構，同時在錐形頭的頂端兩側設有隱藏式導線柱，錐形頭部分與插座轉接器的錐形凹槽結構相對應，如此便可引導盲人使用時順利將插頭轉接器插入插座轉接器中。結構如圖2 所示。

圖2 盲人專用插頭結構示意圖

智能插座內設置有藍牙收發模塊、測距模塊、控制模塊（單片機）、語音模塊和電源轉換模塊（繼電器）。智能插座的一端設計成普通插頭，可插入到室內的電源插座上，另一端設計成漩渦式錐形凹槽結構，在錐形凹槽的底部兩側設有插孔，且結構上設有導向和保護結構，同時將電極藏在溝槽內防止誤觸電。結構如圖3所示。

圖3 智能插座結構示意圖

此外，為方便操作，還設計了一個語音藍牙開關手機App，該App 可與智能插座藍牙模塊連接，然后通過語音智能控制插座的開機與待機。

三、技術原理

1.測距原理

超聲波測距是盲人尋找插座時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器、控制器和蜂鳴器等部分組成，主要是通過超聲波探頭發射和檢測超聲波信號來完成的。

超聲波是指超出人的聽覺范圍（20 kHz 以上）的聲波，具有頻率較高、直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強、傳播速度慢（約340 m/s）等特點。超聲波在不透明的固體內傳播時，遇到雜質或分界面會產生反射波，利用這一特性可探深或測距。超聲傳感器產生的超聲波對外發射，如在一定范圍內碰到物體，就有一反射波返回發射源（超聲傳感器的表面），主機利用發射波和反射波之間的延遲時間和聲波速度就能測得距離[6]。

在超聲波測距系統中，控制器發射一串脈沖信號，經放大電路放大后，通過探頭發射出去，當在有效范圍探測到障礙物時，主機會檢測到超聲波的撞擊返回信號，再將經過計算完成后的結果輸出到語音。

2.藍牙傳輸原理

藍牙技術規定，每一對設備之間進行藍牙通信時，必須一個為主角色，另一個為從角色，才能進行通信。通信時，必須由主端進行查找、發起配對，建鏈成功后雙方即可收發數據。理論上，一個藍牙主端設備可同時與7 個藍牙從端設備進行通信。

呼叫時，藍牙主端設備發起呼叫，首先是查找出周圍處于可被查找的藍牙設備。主端設備找到從端藍牙設備后，與從端藍牙設備進行配對，此時需要輸入從端設備的PIN 碼，也有設備不需要輸入PIN 碼。配對完成后，從端藍牙設備會記錄主端設備的信任信息，此時主端即可向從端設備發起呼叫，已配對的設備在下次呼叫時，不再需要重新配對。已配對的設備，作為從端的藍牙耳機也可以發起建鏈請求，但作為數據通信的藍牙模塊一般不發起呼叫。鏈路建立成功后，主從兩端之間即可進行雙向的數據或語音通信。在通信狀態下，主端和從端設備都可以發起斷鏈，斷開藍牙鏈路[7]。

在藍牙數據傳輸應用中，一對一串口數據通信是最常見的應用之一，藍牙設備在出廠前即提前設好兩個藍牙設備之間的配對信息，主端預存有從端設備的PIN 碼、地址等，兩端設備加電即自動建鏈，透明串口傳輸，無須外圍電路干預。

四、研究結果

1.系統使用方法

系統制作的實物由插頭、插座和盲人遙控器組成，使用時，家中的插座和電器無須任何改造，只要將盲人智能插座轉接器插在普通插座上即可。

準備階段：其他人幫助盲人將多個地址編號的智能插座分別插在墻上的插座上，已經與使用電器連接好的盲人專用插頭和遙控器由盲人手持。

語音導航：盲人通過遙控器盲文按鈕（或語音藍牙開關手機App）發出呼叫指令，智能插座轉接器在接收到指令后用語音播報編號，便于盲人根據聲音判定插座轉接器的位置。

測距導航：盲人根據聲音判斷插座轉接器位置并靠近。距離較近時，插座轉接器通過測距模塊報出距離信號進一步導航引導，直到盲人用手觸摸到插座轉接器。

引導插入：盲人在漩渦式錐形結構的引導下安全順利插入插座。

使用完成：當使用完成需要取走插頭時，盲人通過手中的遙控器（或語音藍牙開關手機App）發出無線尋找指令，附近的智能插座轉接器報出自己的編號，盲人根據聲音快速取回插頭。

2.測試驗證

系統可行性測試：將盲人專用插頭與智能插座實際連接，并將智能插座插入墻面插座，發現插座通電有用，且內部元器件指示燈發亮，同時測距模塊啟動，語音模塊發聲提醒，測試證明系統切實可行。

盲人測試驗證：將智能插座插入普通墻面插座上，盲人專用插頭連接到盲人手機上，并由盲人左手手持，同時遙控器由盲人右手手持。當盲人通過遙控器上盲文按鈕按下相應智能插座尋找指令時，該智能插座語音模塊發聲，盲人在語音指引下不斷靠近，當距離較近時，智能插座發出了距離提示語音，最終盲人通過語音提醒和智能插座上的漩渦式錐形凹槽引導安全順利地插入了插頭。檢查發現，手機正常充電，測驗證明了系統切實可行，功能良好。

五、結語

本文設計的盲人智能插座轉接器是一個既有人文關懷又體現一定科技含量的產品。以單片機為核心，利用藍牙配對功能，將藍牙通信、測距模塊與語音模塊結合，設計具有藍牙通信、測距導航和語音提示功能的組合式導航型插座轉接器，合理地解決了盲人無法確定插座方位的問題。同時，利用漩渦式結構設計了盲人專用插頭，消除了盲人使用時觸電的危險，引導盲人順利插入插座，方便實際使用，過程連續線性，有效可行。