合肥工业大学宣城校区机械工程系安徽宣城242000
摘要：我国盲人基数较大，并且增长率连年增长，但导盲设施并不完善。本文针对盲人群体，设计出一款方便盲人出行的导盲杖。该导盲杖是在市面上传统导盲杖的基础上，集超声波测距报警、无线寻回报警、GPS定位功能于一体，并设计了贴合盲道的卡轮，有助于盲杖人群较好地辩别路况，使用也更加省力，给日常生活带来极大的便利。经过调试改进，该设计具有使用便捷，安全系数高且成本较低等特点。
关键词：导盲杖；超声波；无线通信；卡轮
据统计，我国约有盲人500万，占世界盲人总数的18%，是世界上盲人最多的国家，此外，我国每年还新增45万盲人。虽然盲人基数很大，但中国盲人目前出行普遍使用的还是简单的传统导盲杖，这种导盲杖已不能满足盲人的出行需求，因此，智能导盲杖的出现及发展是必然的。目前中国对智能导盲杖的研究并不算多，论文[1]基于单片机设计了超声波导盲杖，该设计主要利用超声波测距技术，探测障碍物，从而发出报警录音；论文[2]基于GPS技术与智能避障设计的导盲杖，利用了GPS技术与红外探测技术以达到自动牵引避障；此外还有基于多传感器融合设计的智能导盲杖，可以探测台阶与积水[3]。基于以上研究功能，本文设计了实现避障、无线寻回、GPS定位等功能的便携导盲杖。此外，本设计还在杆底安装了卡轮使轮体贴合盲道，让盲人无需敲打地面、使用更省力。
该系统主要由超声波测距模块、无线通信模块、GPS模块组成，其系统总体框图如图1所示，其中超声波测距模块对障碍物进行测距，经过单片机的数据处理判断是否通过蜂鸣器发出警报；无线通信模块用于实现导盲杖寻回功能，当单片机通过无线通信模块接收到特定编码信息时使蜂鸣器发出警报音；GPS模块为独立的产品，不与单片机最小系统连接。
图1系统总体框图
单片机起到综合处理作用，通过调控各个模块，以达到各个模块的设计功能。单片机的P20、P21端口与超声波模块进行数据通信，无线通信模块使用了单片机的串口，并用了3根IO口线控制其工作状态，用P15端口控制蜂鸣器，电路如图2所示。
图2导盲杖主电路图
2.1超声波测距报警模块
图3超声波模块
本设计的测距模块可实现在6m内的精准测距，并与蜂鸣器模块相互配合，设定发出装置与障碍物距离小于1m时蜂鸣器报警，警示盲人。
设计参数：电压：4.5V-5V、电流：lt;2mA、探测距离：1m、感应角：lt;15°。
2.2无线模块
据调查，由于粗心或者遇到突发情况时，盲人有时会找不到导盲杖的位置，这给他们带来了极大的不便，所以，无线寻回的功能具有一定的实际意义。
2.2.1单片机与无线模块连接
本文通过无线通信模块实现了盲人按键寻找导盲杖位置的提示功能。设计使用了WLK01L39无线板，通过单片机编程设计实现了远距离遥控报警(即盲人按键寻找导盲杖)。当遥控按键按下时，从遥控装置上发射信号，导盲杖接收到信号时蜂鸣器发出报警。无线模块和单片机间为串口通信，SETA、SETB、AUX用于控制无线模块工作模式，电路如图4所示。
图4单片机与无线模块连接电路图
设计参数：发射频率：470MHz、工作电压：2.1-3.6V、最远传输距离：1000m左右
2.2.2电源电路
本设计采用三节5号电池供电，而无线模块所需电源为3.3V,通过电源芯片1117-3.3将电压转变为3.3V，以满足无线模块的电压使用要求，电路如图5所示。
图53.3V电源电路
2.3程序下载接口
从PC机设备向STC89C52单片机下载程序同样使用了串口TXD、RXD，如图6所示。由于串口还用于和无线模块进行通信，因此在程序下载时需将无线模块断开。
图6串口及程序下载接口
2.4GPS模块
盲障人群由于自身条件限制，会遇到迷路等安全问题，故设计使用了GPS专用模块，将其安装在杆体内。利用GPS专用卫星定位模块定位到经纬度信息，使用移动运营商SIM卡的GPS数据传输到相应服务器上，经相应处理后将地理位置显示。此功能的实现是采用手机APP与设备专一对接，令盲人家人及时掌握用户的实时位置信息。此外，用户家人还可以通过手机控制GPS模块的开关、设置安全距离范围、回放盲人的行走路线，全方面保障盲人的出行安全问题。
2.5卡轮设计
据调查，盲人使用普通的导盲杖在敲打地面掌握障碍物信息时，非常费力而且不方便，一般走半个小时便会手臂酸痛。为了使盲人在使用导盲杖时能够省力，可以远距离行走。本设计将导盲杖前端普通的点触头替换成凹槽卡轮(如图7、图8所示)，其宽度略大于盲道单个突起宽度(轮距60mm)，从而达到能够在盲道上大体沿直线行走，轻便省力，不用刻意维持方向，防止走偏。
图7卡轮三维设计图图8卡轮三视图
卡轮的设计能够充分贴合盲道，实现盲人较为省力的长距离的出行。轮子采用耐磨且具有较好韧性的尼龙和PU包边材料进行制造，使用寿命长。
本设计的主控制程序采用C语言编程。在超声波测距距离S小于1m时，蜂鸣器将发出报警，若检测距离大于1m时，则蜂鸣器不工作，超声波测距模块将继续检测障碍物距离，如此循环。此外，若导盲杖内的无线接收模块接收到盲人从发射模块发出的指令，蜂鸣器同样会发出警报，以达到提醒警示的目的。
主程序流程图如图9所示：
图9主程序系统设计框图
测试选取了合肥工业大学宣城校区外2000m路段，以盲人的视角在盲道上进行了导盲杖的性能检测，检测发现：①在测试时，盲道上遇到障碍物(石头、垃圾桶、路灯杆等)共九处，导盲杖在靠近障碍物一米左右时均发出警报，可见通过超声波模块可使盲人对路况做出正确判断，躲避障碍物，达到安全出行的目的；②在距导盲杖200m内按下按键，导盲杖都会发出警报，无线模块可有效解决导盲杖意外丢失问题，操作简单；③在测试的30分钟内，可随时通过手机对测试者进行精准定位，并查看测试者的路线轨迹。GPS模块可使家人实时定位盲人出行路线，有安全保障；④与传统导盲杖敲打前行的方式相比，智能便携导盲杖的卡轮能贴合盲道，在测试的30分钟内，使测试者推行更加省力。
综上，本设计具有超声波避障、无线寻回报警、GPS定位、省力的优点，着重解决现有传统导盲杖的不足，很大程度上解决了盲人出行困难及安全问题，提高了盲障人士的生活水平。
参考文献：
[1]张超.基于单片机的超声波导盲杖设计研究[J].科技信息,2014(4):136.
[2]廖庆洪,胡婉如,曾维鋆,等.基于GPS技术与智能避障的导盲拐杖研究[J].电子技术,2016，45(11).
[3]俞国华,朱广伟,张珂.基于多传感器融合的智能导盲杖研制[J].测控技术，2015,34(4):20-23.
[4]仲园，郁昊.基于超声波测距原理的倒车防撞预警器的设计[J].电子设计工程，2016,24(5):158-161.
作者简介：张靖雪(1997-)，女，陕西西安人，本科在读，金属材料工程。