智能盲行拐杖——黑夜中的明灯

河南理工大学高瑞辰，李丽钧，邓鑫宇，李佳琦，张 玲

1 作品介绍

本项目设计的智能拐杖主要是由超声波测距系统、GPS定位系统、语音播报系统、智能深坑检测系统组成。正常出行时，智能拐杖如果发现障碍则自动提醒盲人，同时语音提醒路人注意避让，以减少事故的发生；内置指示灯，当盲人黑夜出行时，拐杖会默认开启控制指示灯闪烁的开关，盲人也可人为控制此开关。遇到紧急情况时，盲人可按下求救按键，系统会自动给监护人拨打电话，监护人通过手机APP可查询盲人用户所在位置。此外，产品中增加了一些额外功能，比如按键控制语音报时、语音判别方向，甚至规划路线等。智能拐杖设计如图1所示。

图1 智能拐杖设计

2 工作原理

本产品结构框图如图2所示。该系统通过超声波发送和接收模块对障碍物的测距，当盲人遇到障碍物时，通过单片机上的算法程序计算距离，再通过串行通信发送到语音模块进行语音提醒；同时利用GPS模块采集地理信息，将盲人所处位置的经纬度与库函数里的经纬度进行对比，然后将地理信息上传至手机APP；用户按下应急按钮时产品便会通过GSM模块向指定手机号码发送求救短信；夜晚或灯光条件不好时，光敏传感器控制的示警灯系统会自动打开。

图2 系统结构框图

用户在使用此产品时，图3所示的结构中位置3的HC-SR04 超声波会自动检测360°范围内的障碍物，并实时通过语音提醒用户，其中包含GPS模块实时定位用户的位置信息；位置1为紧急按钮，用户可按下此按钮向紧急联系人发送呼救短信；当夜晚或灯光条件不好时，位置2会发出LED灯光来提醒周围人避让。通过程序算法，利用超声波和红外检测实现智能深坑检测。该产品设计综合运用了模拟电子、数字电子、通信原理、嵌入式系统等技术，使得对盲人出行的保护也愈加周全和高效。

图3 设备结构

智能盲行拐杖在使用前需要用户在紧急联系人的手机APP上进行注册绑定，其次用户在使用时须将总开关打开，此时语音提示功能、GPS定位功能便会自动开启。当然，用户借此可享受到智能且安全的体验：天黑时，智能拐杖默认开启灯光，灯光不断闪烁以提示路人和车辆注意盲人；若遇到紧急情况按下应急按钮便可以一键呼救，家人也可以在手机APP上实时查看用户的位置信息，这样可以显著提高盲人出行的安全性。

本产品为微型产品，产品轻便，操作简单。使用时的主要注意事项有：

（1）产品内部装有可充电锂电池，建议充电后使用，边充边用易损坏电池。

（2）禁止用尖锐物品触碰电池铝箔包装材料，禁止弯折顶封边，禁止打开或破坏折边，禁止弯折，禁止坠落冲击弯折电池，任何时间禁止短路或颠倒正负极使用电池。

（3）防止电池包装内产生短路，严禁拆卸电池，严禁将电池投入火中，严禁将电池浸入液体中（如：水、饮料、果汁、咖啡），不得自行更换电池，禁止使用损坏的电池。

（4）产品未产生故障时严禁拆卸，若发生故障应联系相关技术人员进行维修。

3 创新点

本文独立开发设计并且实现了一整套基于STM32的紧急报警以及短信收发和物联网定位系统。系统的设计综合运用了模拟电子技术、数字电子技术、通信原理、数字信号处理技术、嵌入式系统技术等，实现了智能盲行拐杖及时、精确的数字化管理功能以及远程控制功能。STM32 控制为主控制电路；超声波模块可时时测量盲人在行走时前方是否有障碍物，并通过语音提示对盲人进行提醒，使盲人可以提前准备避让障碍物，以防摔倒。在盲人跌倒时，警报模块迅速发出声音，警示监护人和使用者，可以使盲人提前做出反应，尽量避免摔伤重要部位；同时也能使监护人迅速了解到盲人的当前状况，并及时采取措施；通过陀螺仪、红外+超声综合测量判断持杖者前方是否出现过高台阶或深坑；视力障碍人士在遇到危险情况时，通过系统一键发送求救短信，监护人可查看监控并及时处理；使用 GPS 进行定位，为监护人寻找盲人提供了有利条件，同时也为盲人提供了诸多方便，减少了盲人在走失后的焦虑感和恐惧感，也减少了监护人对走失盲人的担忧。该智能拐杖克服了传统拐杖的缺点，通过传感器对路况进行检测，将可能出现的危险通过语音播报给盲人，让他们提前做好准备；还能够探测不同类型的障碍物和适应多种可能出现的情况，保障盲人用户的出行安全。

4 市场和发展前景

中国残联公布的一项统计数字显示，全国目前有8 296万多名残疾人，这个群体年消费额在2 000亿元左右，并呈现不断增长的态势。由此可见，我国残疾人用品市场潜力巨大，亟待开发。残疾人用品市场可以说是一个前景广阔、充满生机的产业市场，这对残疾人用品的品种、档次、质量和数量也提出了更高要求。

全国有1 730万盲人，生活中却很少见到，原因是社会上很多公共设施对盲人还不够友善，例如很多城市里的盲道的确长度很长、分布很广，但是有些盲道的设计却并不适用于盲人；另外，能够为盲人引路的导盲犬数量也非常有限、价格昂贵，而且很多场所不允许导盲犬进入。这些原因都导致盲人出行非常不便。现阶段盲人用品市场尚不完善，导盲拐杖更是处于空白状态。伴随科技的发展，在大数据、人工智能和5G背景下，盲人导航器、盲人鞋、盲人腰带等方便盲人出行的产品的研制和开发应该受到更多科技企业和研究机构的关注，亟需将这些技术集合在一起，设计出一款低成本、安全、人性化的电子盲人导航器或系统，让盲人群体也能享受到后工业时代技术发展的福利。

盲人们普遍渴望友好的代步工具以便保护自己，渴望有一种帮助盲人出行的交通系统，渴望引进高科技产品以更好地导航助行。因此，设计高科技产品帮助盲人出行迫在眉睫。产品一旦顺利推行会更加便于盲人出行，提升城市服务动力，促进经济社会发展。与市场上已有的产品和解决方案相比，本项目产品具有充分的适宜性，可以更好地满足现阶段的盲人需要，解决盲人出行安全性和有效性等实际问题，价格方面也具有一定的竞争力；同时包含一定的创新性和核心技术，可以保证产品独有的生命力和技术门槛。