智能盲人拐杖的研究与设计

姚旭禹　汤莉莉　黄思嘉　周移　王赞　阮红玲　王金勇　汪立东

摘 要：该设计研究的目的是通过超声波传感器发送超声波，并且读取回波使超声波模块的芯片产生高电平时间计算出前方障碍物的距离，同时驱动热释电红外传感器判断障碍物是人还是物体，经过MCU处理后，通过SPI总线驱动ISD4004芯片将录好的指定语音播放出去。该设计还可以通过GPS模块实时定位，使用矩阵键盘设定号码，将定位的坐标通过MCU驱动GSM/GPRS模块以短信为载体发送到设定号码的手机上，并且遇到障碍物时可以实现通过语音提示盲人避开障碍。本项目所研究的范围涉及人体红外的采集与检测，超声波信号的采集，STM32的程序编写，矩阵键盘的设计，GPS接收信息的处理，以及使用AT指令驱动GSM模块，在电路设计上采用创新节能的设计；在硬件组合上采用模块化的设计；在软件编程上采用嵌套调用的编程方案，最终实现盲人避障且可发送经纬度坐标求助的功能。

关键词：红外热释电传感器 超声波 语音 GPS 求救短信

中图分类号：TN98 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（c）-0061-02

Intelligent Blind Cane Research and Design

Yao Xuyu Tang Lili* Huang Sijia Zhou Yi Wang Zan Ruan Hongling Wang Jinyong Wang Lidong

（Department of Computer & Information Engineering，Zhixing College of Hubei University，Wuhan Hubei，430011，China）

Abstract：When the purpose of the product design， the study by sending an ultrasonic ultrasonic sensor， and reads the chip ultrasonic echo module generates high time to calculate the distance in front of the obstacle，while driving pyroelectric infrared sensor determines obstacle：Summary people or objects， after MCU processing， through the SPI bus driver ISD4004 chip will record a good player out of the specified voice.This product can also be real-time location through GPS module，using a matrix keyboard to set the number， the coordinates of the location through the MCU drive GSM/GPRS module carrier SMS sent to the phone number set，and an obstacle can be achieved through voice Tip blind avoid obstacles.The scope of the project involves the study of the collection and testing of human infrared，ultrasonic signal acquisition，STM32s programming，matrix keyboard design， processing GPS receiving information，and the use of GSM module AT command-driven，in the circuit design using innovative energy-saving design；the use of the combination of modular hardware design；programming scheme using nested calls in the software program， and ultimately blind obstacle avoidance and latitude and longitude coordinates for help function can be sent.

Key Words：Pyroelectric infrared sensor；Ultrasonic；Voice；GPS；Distress message

盲人是社會中的一个特殊群体，他们不能用眼睛去体验这个世界的美好，并且在生活中有诸多的不便。随着科技的日新月异，人们的生活也越来越智能化，智能冰箱，智能空调，智能洗衣机，甚至是家用机器人管家，这些智能化的物品，减少了手动设置的要求，并且多了语音提示，语音操控，自动感应等功能，使得盲人的生活更加便利。

智能盲人拐杖以超声波传感器[1]与热释电红外传感器[2]为主要探测仪器，使用ISD4004语音录放芯片存储指定语音，使用GPS模块定位当前位置的经纬度，并可以驱动GSM/GPRS模块将包含坐标信息的短信发送出去。当拐杖前方有障碍物时，超声波模块探测障碍物和拐杖之间的距离，MCU判断当前距离是否应该发出提示音，当障碍物的距离达到提示值时，使用热释电红外传感器判断障碍物是否是人，判断并发出合适的提示音[3]。当盲人在外出时遇到突发状况时，可以一键获取当前位置的经纬度，将信息发送给指定的联系人，指定的联系人可以使用可拆卸式的矩阵键盘设定。

1 总体硬件系统设计方案

我们所设计的系统主要由硬件系统和软件系统组成，硬件系统是由超声波模块，热释电红外传感器模块，ISD4004语音录放模块，开关及矩阵键盘模块，GPS模块，GSM/GPRS模块，STM32系统板模块[4]，电源转换模块等构成（见图1）。

2 软件系统设计

程序流程图如图2所示，具体流程如下：首先，接通电源，系统开始工作，超声波模块，热释电传感器模块，GPS模块，GSM/GPRS模块[5]，ISD4004语音模块，联系人号码进行初始化，系统开始判断用户是否需要一件发送求救短信，若需要则开始读取GPS的原始数据，使用处理函数将原始数据处理成需要的经纬度后使用GSM/GPRS模块发送短信，发送短信成功后看门狗定时器停止喂狗，系统复位，不需要则进行探测障碍物的操作。当判断到前方有障碍物并且障碍物距离人的距离达到提示值时，启动热释电传感器开始判断障碍物是否是人，得到结果后播放ISD4004芯片内指定地址的语音来提示盲人，语音播放完成后，继续检测是否需要发求救短信和探测障碍。

3 方案难点及关键技术

方案难点有：

（1）热释电传感器信号输出不太稳定，需要相应的算法调节。

（2）将超声波模块的信号进行处理使得探测值更加准确。

（3）将GPS的原始数据处理出相应的坐标。

（4）合适的语音提示使得盲人能准确避障。

关键技术有：

（1）探测结果的算法处理。

（2）GPS的信号处理。

（3）热释电红外传感器对红外信号的处理方法，同时可以设定感应的距离。

（4）使用AT指令控制GSM/GPRS模块发送短信。

（5）语音芯片播放声音的实现。

4 系统的测试结果分析

结果分析如下：

（1）拐杖能够灵敏的探测到前方障碍，并且语音提示使得盲人能够避障。

（2）能够用可拆卸式的矩阵键盘设定联系人号码。

（3）能通过在室外环境下开启GPS模块，得到具体是经纬度信息。

（4）GPS模块得到经纬度信号后，可以通过GSM/GPRS模块将含有经纬度信息的短信发送到指定人的手机。

5 結语

该智能拐杖使得盲人特别是老年盲人的生活提供便利，省去了老年盲人既要使用盲杖又要使用拐杖的麻烦，使用两个探测传感器能有效探测到前方障碍物，通过语音提示使使用者准确避障。当使用者在外出遇到突发状况如迷路或遇到危险时，可以一键发送求救短信。指定联系人收到含有求救者的经纬度短信后，可以使用电脑或手机在网上输入经纬度，即可获取求救者所在位置的具体地图。

在科技日星月异的今天，智能拐杖的出现可以为盲人这个群体带来许多便利，并且具有很大的实用价值和市场前景。

参考文献

[1] 何希才.传感器技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 孙华，李扬.热释电红外传感器原理及其应用[J].内江科技，2010（12）：116，160.

[3] 王自强，杨景常.基于单片机设计的超声波测距系统[J].西华大学学报：自然科学版，2004（S1）：72-74，90.

[4] 杨光祥.STM32单片机原理与工程实践[M].武汉：武汉理工大学出版社，2013.

[5] 赵琳.卫星导航系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.