一种盲人智能插座转接器

文/路佳杰（大连理工大学）

由于眼睛无法感知，盲人使用家电时通常根据记忆习惯确定插座位置，先要用手摸到面板插座的插孔，再将插头插入。在公共陌生的场合，由于空间很大，又不熟悉环境，寻找并插入插座更加困难，也存在较大的触电安全隐患。本文基于蓝牙通信、语音导航、超声波测距、单片机控制等原理，设计了一种盲人智能插座转接器，包括盲人遥控器、智能插座和盲人专用插头3 个部分，通过将蓝牙模块、测距模块和语音模块等与单片机的有机结合，实现了盲人使用电器时智能辅助寻找和安全顺利插入插座的功能。

一、盲人智能插座的研究现状

目前市场上的盲人插头插座还处于研究之中，并没有具体的产品公开，其实现方法主要是对普通插头插座进行改进。研究者们或是设计自凹陷式结构[1]，或是在插座表面增加滑轨[2]，或是加入蜂鸣器和复位开关[3]，这些方式都可以方便盲人顺利插入插座插孔，但不便于盲人找到插座，且插入过程中存在触电风险。另有研究者在插座中加入了定向保护结构[4]或磁性引导装置[5]，方便了插入，也减小了触电风险，但使用时不便于盲人找到插座，实际操作时盲人难以精确对准，且该设计成本相对较高，实现难度较大。

据不完全统计，目前全国共有盲人600 多万，盲人对各种电器的使用需求很大，研究一款能有效解决盲人使用时难以顺利插入、精确对准和存在触电危险的问题的盲人专用智能插座转接器，十分必要。

二、研究方案

1.设计原理

设计的智能插座转接器系统主要包括盲人遥控器、智能插座和盲人专用插头3 个部分。盲人遥控器上设置有盲文按钮，且内部集成有主控模块（单片机）和主蓝牙模块；智能插座内设置有从蓝牙模块、测距模块、控制模块（单片机）、语音模块（语音发声模块）和电源转换模块（继电器模块）。系统设计如图1 所示。

图1 系统设计图

盲人专用插头设计为一个插头转接器，其一端留有普通孔洞，可由普通家用电器插入连接起来，另一端设计为锥形头结构，同时在锥形头的顶端两侧设有隐藏式导线柱，锥形头部分与插座转接器的锥形凹槽结构相对应，如此便可引导盲人使用时顺利将插头转接器插入插座转接器中。结构如图2 所示。

图2 盲人专用插头结构示意图

智能插座内设置有蓝牙收发模块、测距模块、控制模块（单片机）、语音模块和电源转换模块（继电器）。智能插座的一端设计成普通插头，可插入到室内的电源插座上，另一端设计成漩涡式锥形凹槽结构，在锥形凹槽的底部两侧设有插孔，且结构上设有导向和保护结构，同时将电极藏在沟槽内防止误触电。结构如图3所示。

图3 智能插座结构示意图

此外，为方便操作，还设计了一个语音蓝牙开关手机App，该App 可与智能插座蓝牙模块连接，然后通过语音智能控制插座的开机与待机。

三、技术原理

1.测距原理

超声波测距是盲人寻找插座时的安全辅助装置，由超声波传感器、控制器和蜂鸣器等部分组成，主要是通过超声波探头发射和检测超声波信号来完成的。

超声波是指超出人的听觉范围（20 kHz 以上）的声波，具有频率较高、直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢（约340 m/s）等特点。超声波在不透明的固体内传播时，遇到杂质或分界面会产生反射波，利用这一特性可探深或测距。超声传感器产生的超声波对外发射，如在一定范围内碰到物体，就有一反射波返回发射源（超声传感器的表面），主机利用发射波和反射波之间的延迟时间和声波速度就能测得距离[6]。

在超声波测距系统中，控制器发射一串脉冲信号，经放大电路放大后，通过探头发射出去，当在有效范围探测到障碍物时，主机会检测到超声波的撞击返回信号，再将经过计算完成后的结果输出到语音。

2.蓝牙传输原理

蓝牙技术规定，每一对设备之间进行蓝牙通信时，必须一个为主角色，另一个为从角色，才能进行通信。通信时，必须由主端进行查找、发起配对，建链成功后双方即可收发数据。理论上，一个蓝牙主端设备可同时与7 个蓝牙从端设备进行通信。

呼叫时，蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找出周围处于可被查找的蓝牙设备。主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设备进行配对，此时需要输入从端设备的PIN 码，也有设备不需要输入PIN 码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对的设备在下次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，作为从端的蓝牙耳机也可以发起建链请求，但作为数据通信的蓝牙模块一般不发起呼叫。链路建立成功后，主从两端之间即可进行双向的数据或语音通信。在通信状态下，主端和从端设备都可以发起断链，断开蓝牙链路[7]。

在蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通信是最常见的应用之一，蓝牙设备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的PIN 码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无须外围电路干预。

四、研究结果

1.系统使用方法

系统制作的实物由插头、插座和盲人遥控器组成，使用时，家中的插座和电器无须任何改造，只要将盲人智能插座转接器插在普通插座上即可。

准备阶段：其他人帮助盲人将多个地址编号的智能插座分别插在墙上的插座上，已经与使用电器连接好的盲人专用插头和遥控器由盲人手持。

语音导航：盲人通过遥控器盲文按钮（或语音蓝牙开关手机App）发出呼叫指令，智能插座转接器在接收到指令后用语音播报编号，便于盲人根据声音判定插座转接器的位置。

测距导航：盲人根据声音判断插座转接器位置并靠近。距离较近时，插座转接器通过测距模块报出距离信号进一步导航引导，直到盲人用手触摸到插座转接器。

引导插入：盲人在漩涡式锥形结构的引导下安全顺利插入插座。

使用完成：当使用完成需要取走插头时，盲人通过手中的遥控器（或语音蓝牙开关手机App）发出无线寻找指令，附近的智能插座转接器报出自己的编号，盲人根据声音快速取回插头。

2.测试验证

系统可行性测试：将盲人专用插头与智能插座实际连接，并将智能插座插入墙面插座，发现插座通电有用，且内部元器件指示灯发亮，同时测距模块启动，语音模块发声提醒，测试证明系统切实可行。

盲人测试验证：将智能插座插入普通墙面插座上，盲人专用插头连接到盲人手机上，并由盲人左手手持，同时遥控器由盲人右手手持。当盲人通过遥控器上盲文按钮按下相应智能插座寻找指令时，该智能插座语音模块发声，盲人在语音指引下不断靠近，当距离较近时，智能插座发出了距离提示语音，最终盲人通过语音提醒和智能插座上的漩涡式锥形凹槽引导安全顺利地插入了插头。检查发现，手机正常充电，测验证明了系统切实可行，功能良好。

五、结语

本文设计的盲人智能插座转接器是一个既有人文关怀又体现一定科技含量的产品。以单片机为核心，利用蓝牙配对功能，将蓝牙通信、测距模块与语音模块结合，设计具有蓝牙通信、测距导航和语音提示功能的组合式导航型插座转接器，合理地解决了盲人无法确定插座方位的问题。同时，利用漩涡式结构设计了盲人专用插头，消除了盲人使用时触电的危险，引导盲人顺利插入插座，方便实际使用，过程连续线性，有效可行。