一种基于超声波测距的导盲系统设计

田宇航+张旭东+陈志远+吕雪杰+曹珊珊

摘 要 针对市场上导盲系统存在的缺点：成本高、结构复杂、功能少、操作难度高，进而无法实现较好的导盲效果。本设计旨为盲人提供一种行走时，能准确判别前方路况并及时躲避的智能导盲预警系统。该系统以STM32F103C8T6作为主控，具有GPS坐标定位、GSM短信发送、超声波避障、警报提示等多功能的智能导盲预警系统。经实验测试，该系统可以成功指导盲人提前躲避障碍物，获取盲人位置信息，对保障盲人出行安全具有重要意义。

【关键词】智能避障 超声波测距 GPS定位 STM32 语音导航

1 引言

盲人是指双目失明或单目失明的人，不同于其他社会群体，他们由于先天或后天的生理缺陷而长期处于“黑暗”生活环境中，相比于正常人而言，他们的生活有许多不方便，不能准确及时的发现并躲避障碍物是其中一个重要弊端之一。国际上欧美等发达国家和国内少数家庭多采用导盲机器人或导盲犬，导盲效果好但成本较高，难以普及。基于此，本文结合电子技术与机械结构创新，设计了一款以GPS定位、超声波测距为主要功能的智能导盲预警系统。

2 系统总体设计

该系统由超声波测距单元、语音播报单元、GPS定位單元、信息收发单元、声光报警单元及外围电路构成。采用STM32F106C8T6作为主控，主控在接收到超声波测距的信息后，可以进行语音提示，指导盲人避让前方的障碍；通过GPS定位单元，定位用户的位置并通过信息收发单元上传至网络数据库；结合高德地图接口，借助语音播报实时对用户进行GPS定位导航。同时考虑在夜晚能见度低时，由声光报警单元提示来往行人和车辆主动避让。系统总体设计如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 核心控制模块

本设计所选用的STM32F103C8T6单片机，是一款基于ARM Cortex架构的中等容量增强型微处理控制器，扩展48个GPIO口、FLASH 128KB、工作电压：2V～3.6V。通过AD接口读取超声波测距单元数据、定时器复用PWM波控制电机的振动频率、IIC协议控制语音播报单元、串口获取GPS定位数据和发送数据至数据库、I/O接口控制声光报警单元。

3.2 超声波测距单元

根据超声波测距原理，考虑到在实际使用过程中使用者可能会遇到正前方和脚下存在障碍物的情况，本设计在拐杖安装两个超声波模块分别测量前方和脚下障碍物的距离。HC-SR04超声波测距模块内部集成超声波发送接收和控制电路，具有接触式距离感测功能，距离可达400cm，精度可达2mm，工作电压：5V。

3.3 GPS定位及信息收发单元

GPS定位单元由GPS模块USM-3N和GSM模块组成， 通过AT指令获取GPRMC类型数据，程序解析得到数据信息（包括：纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向、卫星状况等）。设置采样间隔1S并将GPS坐标通过GSM模块实时发送服务器，家人使用APP访问服务器以便于获取盲人当前的位置。APP界面示意图如图2所示。

3.4 语音播报单元

语音播报单元使用SYN6288中文语音芯片。此芯片用SSOP28L贴片封装，具有很多优点：较简单硬件接口资源、低功耗、音色清凉圆润。主控对接收到的超声波信号进行数据处理后，将数据信息发送给语音模块，语音模块根据对应的指令进行语音播报（包括时间和温度）。

3.5 声光报警单元

该单元除用语音播报警示外还添加了人性化的光控制LED灯示警系统，为方便于在夜晚时提醒路过的车辆和行人主动避让盲人。依据光敏电阻的特性控制LED灯开关，LED灯闪烁引起周围人员注意。

4 系统软件设计

（1）通过IIC协议获取MPU6050数据，并通过卡尔曼滤波函数对原始数据进行滤波融合，获取欧拉角，测试数据时通过串口发送至上位机，获取姿态角数据。

（2）通过模拟信号协议获取两个超声波收发模块HC-SR04数据，通过使能T1定时器的PWM的输入捕获，复用通道1和通道2进行PWM输入捕获，获取高低电平时间，从而计算出探测距离。

（3）通过STM32接收到的UM220-III_GPS模块发出的数据，对比程序查表信息并读出地理名称数据，发送给GSM进行数据发送至数据库，数据库通过高德地图接口，获取相应的导航信息，再发送至单片机，进行语音模块播报。

（4）通过STM32的串口1发送位置数据至GSM模块。

（5）通过I/O口的输入捕获，获取人体传感器HC-SR501模块的输出数据，判断是否有人在使用智能拐杖。

（6）控制T2定时器的PWM输出产生，复用通道1和通道2进行PWM输出，控制电机的不同强度的振动，以便于障碍物检测的提醒。

算法流程图详如图3所示。

5 结语

本文设计了一种基于GPS导航、超声波测距、语音播报的智能导盲预警系统，该系统可以对盲人前方道路上的障碍物进行距离探测并把障碍物距离信息转换成语音提示， 盲人可以根据提示音避让障碍；通过姿态数据解算判断盲人是否摔倒，当盲人摔倒时，GPS定位盲人位置，并将位置信息和报警消息发送给亲人和当地的救护中心。经实验测试，该系统满足导盲的实际需求，效果理想，且成本低、性价比高，具有良好的市场应用前景。

参考文献

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作者简介

田宇航（1995-），男，河北省张家口人。现为河北农业大学电子信息科学与技术专业在读本科生。

作者单位

河北农业大学信息科学与技术学院 河北省保定市 071000