基于北斗卫星导航系统的电子导盲仪设计

李 婷，王晴晴，吴 恋，毕亚楠，周小琴，代菲菲，罗 菊

（贵州师范学院数学与大数据学院 贵州 贵阳 550000）

0 引言

当前，我国大多数盲人独自出行大都使用传统的导盲杖进行“导航”，但这种出行方式往往需要借助盲道。据调查发现，盲道作为盲人出行的主要通道，经常随意被占用。各种电动车、私家车、杂物随意堆放，这对独自出行的盲人而言往往存在较大的安全隐患，使盲人的出行受到一定限制和制约。近年来，饲养导盲犬来进行导盲的人群比例有所上升，但购买经过专业训练的导盲犬[1]对大多数家庭来说价格过于高昂而往往承受不起，同时饲养导盲犬需要长期投入高额费用和花费更多精力去照顾，这对独居盲人和较为忙碌的盲人家属而言并不方便。而市场上的导盲拐杖功能比较单一，无法满足盲人的出行需要。针对上述不足，本文设计出一种基于北斗卫星系统的智能电子导盲仪，有助于盲人更方便地出行，为盲人的安全出行提供保障，也让盲人家属更加省心省力，切实地辅助盲人群体出行。

1 总体设计

本系统主要是由STM32单片机控制器、北斗定位导航模块、4G模块、超声波测距模块、LU-ASR01语音识别控制模块、超声波模块、震动模块，姿态传感器模块以及手机APP端构成。此系统工作机制为：STM32作为系统的控制中心，超声波测距模块检测道路前方障碍物存在情况，震动模块通过震动感应的方式提醒用户。同时，LU-ASR01语音识别控制模块发出提示音提醒用户及周围的人；北斗定位导航模块实时采集当前位置数据，并作好路线规划及指引；当姿态模块检测到导盲仪掉落时，在设置时间内语音交互模块将发出提示音，便于用户判别方位以便拾起导盲仪。若在设置时间内姿态模块检测到导盲仪被拾起，提示音将自动关闭，继续导盲工作。若设置时间内姿态传感器未检测到导盲仪被拾起，4G模块将拨打用户家属电话以及获取当前位置信息，并将当前位置信息发送至家属手机APP端。系统总框图如图1所示。

图1 系统总体框架

因用户身高差异对导盲仪的长度要求有所不同，为导盲仪设计了伸缩功能。总开关可以在导盲仪非工作状态下关闭，可防误检测及节约电源。外形设计如图2所示。

图2 外形设计

1.1 核心控制器

STM32系列是高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计核心控制器。其应用场景较为广泛，STM32属于微控制器，且自带各种常用通信接口。比如USART、I2C、SPI等，所带接口能够外接多种传感器，从而控制不同的设备。现实生活中，人们接触到的很多电器产品都有STM32的身影，适用于各种智能产品的开发。此项目利用STM32单片机，实现与北斗定位器的实时通信，根据其提供的实时地点实现准确的导航功能，然后按照预定轨迹行进。当遇到障碍物可提醒盲人选择绕行，北斗模块重新进行定位，依据原有导航路线数据，引导盲人移动，重新回到原有路径。在道路边线前进过程中，根据检测信息使盲人始终保持在道路边线行驶。整个系统利用各传感模块和对应算法实现导盲功能，导盲杖将通过语音系统，定位、避障等模块帮助盲人正确规划路径。系统在运行过程中实时采集当前环境数据，语音提示盲人，为他们保驾护航。

1.2 北斗定位导航模块：状态定位和数据采集

北斗定位导航模块是利用了我国自行研制的中国北斗卫星导航系统，该系统相较于其他定位系统安全性更高、定位更准，且具有独有的双向信息通信功能，可以精准实现盲人行进中的定位以及导航等功能[2]。该定位系统主要由三部分组成，包括用户段、地面段以及空间段[3]。北斗卫星导航系统应用范围十分广泛，可应用于大众定位、智慧城市、交通运输等场景，以实现精确的定位、实时导航、精密测速等功能[4]。北斗卫星导航系统工作流程包括地面控制（数据监测及处理）、空间星座（发射位置信息）、用户终端（接收数据）。

本项目主要应用UM220-IV定位模块实现定位导航等功能。该模块是GNSS导航定位模块产品，采用了完全自主知识产权的多系统、低功耗、高性能SoC芯片设计。支持GPSL1、BDSB1I、GALE1多系统，或单系统原始观测值输出，具有定位性能好、功耗低、抗干扰强等优点[5]。人们在日常生活中通过接收端接收来自空间导航卫星发送的信号，经过一定的数据处理就能获得实时定位信息。在接收数据过程中通过将定位模块与4G传输模块相结合，实现数据的接收和传输。通过北斗定位导航可以精准定位当前用户所在位置，提供精确的导航信息，使盲人出行更加安全便捷。

1.3 超声波、震动模块：检测和提醒

检测障碍物部分采用HC-SR04超声波测距模块，模块测距精度可达3 mm，并提供2～400 cm的非接触式距离感测功能。在机器人避障、物体测距、停车场检测等环境下都有广泛应用，具有性能稳定、测度距离精确、盲区小、易使用的特点。利用控制口提供10 us以上的高电平，自动发送8个40 kHz的方波，且自动检测是否有信号返回；当有信号返回时，通过IO口ECHO输出高电平，其持续时间便是超声波从发射到返回的时间，由此可算出距离。如此不断的周期测距，即可以实现移动测量[6]。在测量值小于设置的测量范围100～150 cm时，提供高电平触发片状高灵敏，输出为瞬态脉冲的震动模块Z04A。其安装简便，能在强烈振动的工作条件下正常运行，防水性能好，能适应湿度较大的工作环境。因此本设计采用Z04A作为振动报警器，提醒盲人行动过程中遇到的各种障碍物，并及时更改行进方向。超声波测距模块（HC-SR04模块）原理图如图3。

图3 超声波测距模块原理图

1.4 语音识别模块

对于许多盲人来说，耳朵就是他们的眼睛。本设计使用LU-ASR01语音模块，对其进行软件编程设计，当导盲杖检测到障碍物时，语音模块会提示：“小心！小心！在您的左边（右边、左前方、右前方）有障碍物，请减速慢行”。当检测到楼梯时会提示：“前方有楼梯，请靠右小心下（上）行”，可保证盲人出行时行进安全。通过精准的语音提示，可以帮助盲人充分了解当前路况，让盲人在出行时更加安全[7]。此外，本设计设置了语音控制功能，通过语音操作实现特定功能，可以随时随地语音控制导航目的地、打电话、求助等。当导盲杖掉落且在设定时间之内，语音模块会发出提示音：“导盲杖在您的左边（右边、左前方、右前方），请尽快拾取”，帮助盲人精确地找到导盲杖。如果超过设定时间，导盲杖将会判定盲人摔倒或发生意外，将会自动拨打家人电话，让家人立刻通过手机APP定位确定盲人位置。语音控制功能让盲人使用导盲杖时更加方便，在发生意外时能更快地拨打急救电话或者家人电话，也在很大程度上增加了安全保障。此模块操作简单，只需要下载相应的编译软件，语音识别库中IO输出、各类串口就能实现上述功能[8]。LU-ASR01有8路IO，DHT传感器可实现语音播报、识别精准。图4为语音模块实物图：

图4 LU-ASR01模块实物图

1.5 4G模块

通信模块中的EC20-CE是移远通信推出的LTE Cat4无线通信模块，采用LTE 3GPP Rel.11技术支持北斗、GPS等多种卫星定位类型，并且有多个I/O和GPIO接口。EC20-CE能够提供150Mbps的下行链路和50 Mbps的上行链路数据速率，可实现数据大量传输[9]。并且EC20-CE模块ping值相对较低，发送和应答时间较短，适合应用于远程报警。EC20-CE模块在导盲杖中起到重要作用，它可以实现GPS实时定位、导航、报警和通话功能。在盲人外出发生意外时，能迅速做出反应，让家人第一时间了解情况，这大大增加了盲人出行的安全性，在发生意外时让受伤的盲人及时就医。此模块不仅支持包括安卓、Linux、Windows等多种系统驱动，还可以通过单片机、车载以及路由器等方式实现驱动[10]。将EC20-CE模块接入单片机，插入电话卡之后编写相应的程序，就可以通过USB不停地发AT 指令，然后串口打印输出USB接收到的数据，从而就能实现通信。

2 系统软件与调试

本系统采用STM32作为主控芯片，不需要存储管理，但可以满足这种导盲仪的需求。STM32支持多种通信方式，可以将导盲仪的外设相互连接，便于后期的安装和维护。该系统使用的程序语言是C语言，是当前比较流行的一种编程语言，具有比较简单的操作框架，易于编写，检错也较为方便快捷，能与各种控制芯片兼容。在该开发软件中，通过使用模块化、子程序嵌套技术、库函数调用等方法，将循环探距与其他模块之间的程序互相嵌套，进一步完善了系统功能，达到了预期目标。整个系统的设计流程见图5。

图5 系统流程图

本研究设计的导盲杖的优点在于北斗导航模块的导航引导功能结合超声波检测，当盲人与障碍物距离超过安全距离时，系统立即启动震动模块提醒盲人当前的情况。采用具有语音识别功能的模块，实现一定程度的人机交互，包括行走、停止、左转、右转等。同时通过语音播报前方障碍物情况，盲人根据语音提示在安全范围内绕过障碍，如出现其他无法避免的情况，系统通过4G模块向监护人发送短信，监护人通过北斗导航模块查看盲人所在位置，了解盲人所处环境并及时采取保护措施。

3 结语

本设计是一款轻便、操作简单且以北斗导航系统为核心的自动定位导航。该设计是通过多传感器相互协作，能够自动监测盲人实时状态的多功能导盲仪[11]，具有成本低、障碍物检测精度高、跌摔检测迅速可靠等优点。当导盲仪遇到障碍物时通过超声波测距进行语音提醒，提示盲人自身位置与障碍物间的距离，并通过北斗导航对盲人进行精确定位，从而获得盲人的精确位置，防止走失[12]。该设计分别在分析导航、避障、目标识别模块的基础上，实现了导盲仪在无人引导环境下的导盲功能。此外，该装置实用性较强，易于开发、管理和扩展升级，其强大的智能导航和信息服务功能，具有较大的应用和推广价值，能够为盲人及其亲属提供方便。