陈杰，陈立旺，陈思思*，梁银对，张颖璇
泉州信息工程学院机械与电气工程学院，福建泉州
收稿日期：2023年5月25日；录用日期：2023年9月20日；发布日期：2023年9月28日
摘要
针对视障人士无法识别道路状况这一根本问题，本团队拟研制一款智能导盲杖。以HT66F2390单片机为主控制芯片。导盲杖的杖身可以伸缩调节，适应各个高度人群使用。在触感GPS导航工作同时，通过摄像头模块识别红绿灯以及障碍物。在此基础上加入GSM模块、NRF模块、陀螺仪等传感器。进而实现语音触感导航，障碍物提醒，熟人识别，实测心率，摔倒报警，危险报警呼叫，无线寻杖，夜间亮警示灯等功能。在一定程度上解决了视障人士出行的安全问题。
关键词
智能导盲杖，GPS，传感器
DesignandStudyofIntelligentGuideRod
JieChen,LiwangChen,SisiChen*,YinduiLiang,YingxuanZhang
SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,QuanzhouInstituteofInformationEngineering,QuanzhouFujian
Received:May25th,2023;accepted:Sep.20th,2023;published:Sep.28th,2023
ABSTRACT
Inresponsetothefundamentalproblemthatthevisuallyimpairedpeoplecannotidentifytheroadconditions,theteamplanstodevelopanintelligentguiderod.TheHT66F2390microchipisthemaincontrolchip.Thebodyoftheguiderodcanbeadjustedandadaptedtotheuseofvarioushighgroups.WhilethetactileGPSnavigationworks,identifythetrafficlightsandobstaclesthroughthecameramodule.Onthisbasis,GSMmodule,NRFmodule,gyroscopeandothersensorsareadded.Thenrealizevoicetactilenavigation,obstaclereminder,acquaintancerecognition,measuredheartrate,fallalarm,dangerousalarmcall,wirelessrodsearch,lightwarninglightatnightandotherfunctions.Tosomeextent,itsolvesthesafetyproblemofvisuallyimpairedpeople.
Keywords:IntelligentGuideRod,GPS,Sensor
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
Figure1.Chinaisblindintheproportionoftheworld'sblindpeople
Figure2.PatientswithlowvisiondisabilitiesinChina
没有提示的红绿灯，缺失的导盲犬或是拒入导盲犬的交通工具和餐厅。视碍人士的生活仍有许多困难。仅仅是一根拐杖的传统导盲杖已经远远不能满足盲人的出行需求了，盲人迫切的需要一种智能的导盲杖。为了解决以上问题，我们采用HT66F2390单片机为主要控制芯片设计研制一款智能导盲拐杖，在一定程度上改善了盲人出行可能遇到的问题。
2.系统总体设计原理
Figure3.Schematicdiagramofoperation
Figure4.Hardwarestructurediagramofintelligentguidecanesystem
3.导盲杖的功能设计
①语音触感GPS导航功能：视障人士单独出行时，可通过手杖导航去往目的地，智能手杖通过语音播报提示视障人士行走方向，解决了视障人士使用智能手机导航困难的问题；
②摄像头识别周围环境功能：摄像头可识别红绿灯斑马线，提醒使用者注意来往车辆。摄像头还可以识别台阶以及低洼水坑。当使用者行走路径的前方0.6m处有障碍物时，手杖通过蓝牙耳机立即以语音播报的方式提醒使用者避开障碍物。盲杖上的摄像头还可以全程拍下出行的视频记录，保障了盲人安全；
③快速识别好友功能：内置面部识别软件，通过摄像头识别周围的人脸，将信息传输至蓝牙耳机帮助使用者快速识别好友；
④盲文呈现功能：通过摄像头扫描书刊报纸，经语言转换模块转化为蓝牙语音输出和盲文输出。方便盲人可以通过盲文或语音了解道路的指示标志，还可以帮助盲人阅读书刊报纸，丰富了视障人士的精神生活；
⑤紧急呼叫功能：使用者在遇到紧急情况时，可以一键呼叫紧急联系人。当使用者不慎摔倒后，盲杖会发出警报声，在无使用者手动关闭的情况下，一分钟后自动通知紧急联系人；
⑦蓝牙语音功能：盲杖内置蓝牙耳机，可取出使用。杖身自带充电宝功能保证耳机续航能力；
⑧无线寻杖：盲杖配备小型遥控，按下按钮盲杖发声提示位置。
4.智能导盲杖的硬件设计
4.1.主要控制芯片
在本文设计的导盲杖中，单片机选择STM32F103为主要控制芯片，该开发板具有较低的系统功耗，价格便宜，既能满足需要，又能降低导盲杖成本。
4.2.导盲杖杖身的设计
导盲杖杖身采用加厚加固合金杖身，使拐杖更加稳固不打滑。手柄贴合手型，减轻食指、中指负荷，抓握舒适，没有累赘负担感。杖身可调节高低使盲人轻松。上手可以根据不同身高轻松调整到盲人舒适的位置。
4.3.语音导航的硬件模块
Figure5.Voicenavigationflowchart
Figure6.Alarmflowchart
4.4.周围环境检测
1)原理
超声波模块[5]分别安装在盲人手杖底部、中部、顶部三处，以检测不同高度的障碍物。超声波发射器会发出超声波，从发出时计时器开始计时，在途中碰到障碍物时立即返回，此时接收器接收到返回的超声波信号，计时器停止计时，由声音在空气中传播的速度就可测出此时盲杖距离前方障碍物的距离。根据设定的报警标准，当距离障碍物较近时就会得到报警信号。选用HC-SR04超声波测距模块，可提供2~400cm的非接触式距离感测功能且盲区低至2cm，不仅体积小、使用寿命长，还价格适中。
2)周围环境检测硬件模块的选择
采用HC-SR04超声波测距模块，可提供2~400cm非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm。本模块具有性能稳定，测度距离精确的优点。能和国外的超声波测距模块相媲美。而且本模块价格低廉，使用寿命长，体积较小，方便后期封装。
3)周围环境检测的实现[6]
4.5.紧急呼叫
2)紧急呼叫硬件模块选择
GSM模块具有语音通话，通信的基本功能。
3)紧急呼叫功能的实现
Figure7.SIMcallflowchart
块首先需要注册GSM网络，然后查询本地数据库中的联系人，通过串口通信发送AT指令，最后通过RS232串口发送给SIM900A模块，完成呼叫。
4)模块安装位置
5.测试方法
5.1.作品功能调试
2、GPS智能语音导航功能[7]：在STC52开发板上连接好GPS模块后，就可以对其进行一个初步的调试，通过串口监视器我们可以查看是否读取到信息，并判断其是否准确。最终的功能测试为，能够实现通过GPS定位语音导航。
3、摄像头识别周围环境功能：通过OpenMV的颜色识别和形状识别功能，判断红绿灯和障碍物，将识别到的信息通过串口通信发送到HT66F2390单片机进行判断，并通过语音模块实时播报提醒用户注意红绿灯和障碍物。
4、超声波避障及测距：使用此模块时，超声波发射器会发出超声波，从发出时计时器开始计时，在接触到障碍物后返回，接收器接收到返回的超声波信号，计时器停止计时，由声音在空气中传播的速度就可测出此时盲杖距离前方障碍物的距离。根据设定的报警标准，当距离障碍物较近时就会得到报警信号。
模拟实验验证了导盲杖的实用性和可操作性，证明该导盲杖可有效引导盲人避开上下障碍物，提醒行人及车辆避让盲人，检测温度及路面积水情况，大大方便了盲人的出行。
5.2.模拟实验测试
6.总结
随着社会的发展，传统的导盲杖已经远远不能满足盲人的出行需要。我们设计的这个导盲杖可以帮助盲人在无他人帮助的情况下感知周围环境并且能够自己行走。帮助盲人安全出行、有助于盲人回归社会。我们设计的智能导盲杖可以实现语音触感导航，障碍物提醒，熟人识别，实测心率，摔倒报警，危险报警呼叫，无线寻杖，夜间亮警示灯等功能。家人可以通过GPS定位来确定导盲杖的位置。导盲杖使用方便。实用性强。是盲人出行的好助手。
基金项目
泉州信息工程学院省级大学生创新创业训练项目资助(2022137660019)。