智能語音盲人拐杖設計方案

摘 要：目前許多盲人出行極不方便，時常經歷盲道被占用，路途有障礙，導盲犬不許上公交等情況。為了使他們的生活更加便利，文中設計了一款基于STC15F2K60S2單片機的智能語音盲人拐杖。本項目采用調查法，調查目標用戶盲人群體的出行狀況以及現存盲人智能拐杖的基本情況，了解盲人群體需求，綜合調查資料，初步確定了軟硬件設計思路。目前確定初步實現環境信息顯示、語音識別、短信報警、GPS定位等功能。增加按鍵，控制不同的功能，實現功能的簡單切換。按動按鍵，當在設定范圍內出現障礙物時，系統語音助手自動播報預警語音；按下語音導航按鍵后，導航系統自動規劃最優路線，語音助手播報位置并導航；當使用者遇到麻煩時，按下SOS按鍵，系統自動聯系緊急聯系人，緊急聯系人若未接通電話，則自動轉接距離最近的警局；當使用者準備上樓梯時，按下伸縮按鍵，拐杖自動伸縮，輔助使用者上下樓梯。該智能語音拐杖有助于提升盲人用戶的生活質量，保障他們的出行安全。

關鍵詞：單片機；智能語音；探測障礙；GSM 通信；超聲波；定位系統

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-0-03

0 引 言

隨著科技的發展，智能盲人拐杖應運而生，最大程度便利盲人的生活。智能盲人拐杖擁有障礙物探測、GPS定位、語音導航等功能。障礙物探測利用超聲波技術，可以準確、迅速探測出使用者附近的障礙物，通過語音播報告知使用者，極大程度避免使用者摔倒或者磕碰。系統適用于盲人、視力下降嚴重的老人出行，可保障其出行安全。

1 智能語音拐杖

文中設計了一款擁有語音識別功能的智能拐杖，使用者準確說出目的地，拐杖便可自動導航帶路；該產品擁有超聲波探測障礙物功能，能探測前方25 cm以內的障礙物，通過語音播報告知使用者，保障使用者的出行安全[1]。

2 需求分析及方案設計

2.1 任務要求

利用GPS等技術對前方危險及時探知并做出反應，報告特定位置并提供語音警報。

系統規劃的路徑均不存在障礙物，可指引盲人到達目的地。超聲波探知前方障礙物，及時預警，保證盲人的人身安全；傳感器伸縮功能使盲人上下樓梯更加安全；智能通話技術可在使用者遇到危險時第一時間報警[2]。

該多功能智能盲人拐杖以STC15F2K60S2單片機為核心，采用硬件和軟件相結合的設計方法。項目旨在設計低成本、效果良好的智能拐杖[3]。

2.2 需求分析

（1）基礎定位系統—GPS：導入高德或者百度地圖系統，利用現有技術定位盲人位置，綁定的其他用戶手機端能實時監測盲人用戶的地理位置。盲人偶遇危險可以按求救鍵呼救，系統端將發送求救短信和盲人用戶的實時地址到綁定用戶手機端[4]。

（2）語音播報系統—NRK10語音識別芯片模塊：NRK10無需外圍元器件，直接對接外部。其語音播報功能附帶GPS基礎定位系統。拐杖軟件系統綜合資料整合匯總出最適合盲人的行走路線，通過語音指導，直行，向左或向右，輔助盲人順利、安全到達指定地點[5]。

（3）障礙物探測—超聲波脈沖功能：盲人無法感知路障，超聲波距離探測器可根據紅外線探測出盲人半徑0.25 m范圍內的障礙物，隨后發出警報，提醒盲人躲避障礙物。

（4）自動伸縮—線性傳感器：線性傳感器能夠自動探測出拐杖與目標位置的距離，碰觸到臺階時，會自動收縮調整至合適長度，方便盲人上下臺階。

相較于以前的技術，本項目的創新之處在于超聲波探測到范圍內的障礙物后，會在數據庫搜索對應障礙物種類，通過語音播報告知盲人，便于其躲避障礙物。而且該智能拐杖與導航系統相結合，會語音播報指導盲人安全、順利到達目的地[6]。

2.3 總體方案

項目從硬件和軟件兩方面進行設計，由STC15F2K60S2單片機為主體控制其他硬件。拐杖擁有五個模塊，分別是時鐘模塊、GPS導航模塊、超聲波模塊、GSM模塊以及LED閃爍燈。拐杖由傳感系統、聲音報警模塊、控制單元、接收器和電源組成。測距儀使用頻率為27.6 MHz的射頻波。在運行的過程中，系統自動在安全區域內探測，所有需要的數據都會由相應單元控制傳輸。無限載波由傳感器產生并且傳播到目標處，反射信號由接收器檢測，最后由控制單元計算距離并與數據庫進行比較。安全狀態下不會觸發語音報警系統，只有地理位置不在安全范圍內時，聲音報警系統才會自動啟動。盲人用戶一旦迷路，系統即刻發送盲人位置給緊急聯系人，這一功能的實現依附于GSM模塊和GPS導航定位系統。LED閃爍燈會在夜晚光照度下降時自動開啟，以告知夜晚中的來往機動車和其他路人避讓盲人，保障盲人夜晚出行的安全。軟件流程如圖1所示。

3 開發環境

在控制設計學科中，通常選擇Keil C軟件編程，并且使用Proteus軟件仿真電路。Keil C與Proteus結合，為軟件技術的實現提供了很大幫助。在Keil C的編程界面能找到仿真按鍵，其不僅僅可支撐匯編、C語言的單獨編程，還能滿足混合編程要求[7]。

一個完整度高的系統一定會有強大的軟件支撐，我們也需要有清晰、完整的邏輯思維和創新的思維模式。在設計過程中，我們嘗試采用模塊化設計，從主程序中提取出子程序，達到簡單高效閱讀的效果。

4 硬件設計

4.1 單片機模塊

系統的運行離不開單片機，本項目采用STC15F2K60S2單片機。STC15F2K60S2單片機屬于新一代高可靠、高速率、低功耗、抗干擾性強的高度精密芯片，其附帶的存儲器性能高效。中央處理器共有八位，和存儲單位共同作用。單片機原理如圖2所示。

4.2 時鐘模塊

時鐘模塊選用DS1302，其可保存時間和日歷信息，并且能夠精確到年、月、日、時、分、秒。模塊含有AM/PM系統，可以依據喜好設置時間制度。

模塊擁有雙電源，在工作與待機時分別使用主電源和備用電源，保證系統穩定運行。時鐘電路利用串口通信，提前將命令字節發布。

4.3 GPS導航模塊

GPS定位系統可隨時接收基站搜集的實時消息，并且反饋給盲人用戶，配合語音功能，實現語音導航。GPS使用SPS模式，精確度高。本項目還支持北斗系統，其對于衛星信號捕捉能力強，可快速計算、定位使用者的經緯度信息。工作時，GPS導航模塊與STC15F2K60S2交換信息，搜集的數據從串口傳輸[8]。GPS導航傳輸流程如圖3所示。

4.4 超聲波模塊

超聲波模塊屬于項目核心。超聲波模塊開始工作時，會發射脈沖，即超聲波。這種擁有周期性的超聲波觸碰到目標方向的障礙，會迅速按照原路徑返回接收器。該過程系統自動計時，脈沖按原路徑返回后計時隨即停止。計時的時間設置為T，理論上超聲波的速度為340 m/s，通過公式可以得到使用者與前方障礙物的距離。當340t/2小于或者等于25 cm時，觸發系統語音播報，警示使用者。導航系統接收指令迅速規劃新的行走路線，為使用者提供安全的行走路徑。

4.5 GSM模塊

通話系統擁有GSM模塊，可發送求救信息，盲人用戶按住SOS按鍵，可一鍵聯系緊急聯系人。項目選擇SIM900A模塊，該模塊耗能低、效率高，且擁有適應在不同頻率下工作的能力。嵌入TCP/IP系統，達到數據即時傳輸的效果。超聲波模塊演示圖如圖4所示。

使用者需自備電話卡，安裝在相應卡槽，控制對應按鍵可聯系緊急聯系人。模塊雖然可以在兩種不同的頻率下工作，但是在發送、接收數據時，要配置相同的頻率[9]。

4.6 語音模塊

語音模塊是智能盲人拐杖必不可少的一部分，語音模塊可以實現導航、緊急報警、時間播報、障礙物提醒等功能。由SCLK、MOSI、MISO、SS進行串口連接，通過SPI協議和外圍設備交換需要的數據。語音模塊不僅可以播報相關內容，還可以實時錄音，與STC15F2K60S2單片機主控芯片對接，從而儲存錄音結果[10]。語音模塊功能示意如圖5所示。

5 軟件設計

5.1 總體設計

系統板塊共分為四部分，分別是語音播報、導航系統、超聲波系統、自動伸縮。當使用者不需要時，軟件處于待機狀態，只有使用者觸發按鈕后，才能啟用相應功能[11]。

5.1.1 路線規劃系統

利用GPS芯片鎖定經緯度之后通過百度地圖轉換所需坐標，并且由軟件自動編碼，將經緯度轉換為位置坐標。

系統會提前測定目標地點的經緯度，設定拐杖所處的地理位置為最初的目標經緯度，通過播報的語音，利用地圖編程獲得目標經緯度，最后獲得智能系統規劃的路線[12]。

5.1.2 超聲波系統

使用者按下超聲波按鍵后，單片機發送脈沖。待超聲波返回，測量數據，計算距離。當安全距離大于測量的數據時，將播報語音提示使用者[13]。

5.1.3 語音播報系統

本項目使用改進的語音播報系統，通過開發的新型項目，實時錄制所需音頻，當智能語音被觸發后，能夠自動獲取需要的音頻，依附搜狗APP的搜索引擎自動呈現文字內容。匹配與數據庫相同的內容，自動檢查轉換的文字是否存在于數據板塊。如果存在，則對其修改；如果不存在，則系統自動處理，通過搜狗APP將相關內容轉換為音頻后，由播報系統即時播報。

6 結 語

智能語音拐杖應用超聲波探測、語音播報等技術，實現了對盲人用戶出行環境的監測，可及時規劃最優路線，規避了道路阻塞、施工占道等影響盲人出行的問題，可語音導航至目的地。同時，該智能語音拐杖具備的自動伸縮功能可輔助盲人用戶上下樓梯，最大程度保障人身安全。

參考文獻

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