基于51单片机的智能视觉播报盲杖研究

姚良懿 吴卓轩 郑欣哲 宛瑞琪 肖株栋 韩锋

(广州应用科技学院 广东广州 511370)

截至2022年，我国的视障人士超过1 730万人，其中完全失明超过800 万人，我国视障人士数量位居世界第一[1]，据相关研究预测，全球盲人总数将在2050年由3 600万增加到1.15亿人[2]。视障人士的基数巨大势必带来十分严峻的局面，视觉障碍不仅切实关乎到患者的生活质量，还会加重家庭和社会的负担。在无法根除视觉残疾的情况下，如何保障视障人士安全出行，是一大难题。

通过华经市场研究中心发布的《2021—2026 年中国智能拐杖市场全产业链研究及产业投资可行性评估报告》获悉，目前较少企业能够生产专业的智能盲杖，导致市场上智能盲杖的功能和质量水平不一。就传统的盲杖而言，视障者仅能使用传统盲杖敲击地面从而判断前进路线[3]，无法全方位识别到潜在的障碍物。致使视障者在单独出行时经常发生碰撞或者绊倒的情况，同时又因为无法及时报警就医导致其未能得到及时的救治，甚至存在死亡的风险。因此，本文针对视障者出行安全的问题，设计了一款具备视觉识别障碍物、语音播报提醒和报时、精准定位以及一键报警功能的智能盲杖，为解决视障者出行难的问题提供一定的可行性帮助。

1 设计理念与需求

1.1 设计理念

由于结构较简单、功能单一的传统盲杖早已被淘汰[4]，且传统的普通盲杖已经无法满足当下视障者的日常所需，同时，传统盲杖未能在视障者遇到紧急情况时提供报警功能，又因导盲犬的培训成本高昂、培训期长，存在价格过高和供不应求的问题，因此，本文为解决视碍者的出行安全的问题，设计了一款智能视觉播报盲杖，希望能更好地保障视碍者的出行安全。

1.2 设计创新

本文所设计的智能盲杖除了具备如GPS 位置定位、物体识别等的基本功能以外，还增加了语音播报功能、红外遥控自主寻找功能的创新设计。语音播报功能不仅实现了对路况进行实时的语音播报，还能准确地向视障者提供实际时间的播报；红外遥控则可以防止盲杖丢失，为视障者提供一键召回盲杖的功能。

1.3 基于视障者需求的作品设计

本文所设计的智能视觉播报盲杖成本较低，制作周期相对较短，使用时间较长，能更好地满足当下视障者的出行需求。当视障者独自出行时，智能盲杖能为其提供全方位的语言播报路况的功能，保障其能实现正常出行；就传统盲杖而言，视障者在外无法及时向家人发送求救短信，而本文设计的智能盲杖既可以精准地锁定视障者的所在位置，也可以在紧急情况下及时地向家人发送求救短信，保障其在外的生命安全。该盲杖的设计初衷不仅是希望能更好地为视障者提供便利服务，也更希望能切实保障视障者的生命安全，在生命安全的基础上保证出行安全才是智能盲杖设计的重中之重。

2 硬件部分

2.1 AT89C52RC主控芯片

本文设计作品的主控芯片选用了爱特梅尔公司经过高密度的非易失性存储技术所生产的AT89C52RC，该价格低廉，实用性强，贴合实际利用，成功做到了低成本，高效率的使用价值。

2.2 语言播报模块（SYN6288）

作为系统的输出接口，考虑到用户群体中年龄问题，必须选择这一款兼容性强，且发音标准的语言播报模块，因此选择一款于2010年初由北京宇音天下科技有限公司推出的SYN6288 芯片，其待合成的文本数据使用异步串口通信方式接收，与上位机连接后，从而完成文本到语音（或TTS 语音）的转换[5]；通过GB2312、GBK等多种编码方式支持任意中文文本的合成。可以很好的用中文将各种情况述说出来，语言表述较清晰，有较好的兼容性。

2.3 视觉模块（K210）

本文设计作品的视觉模块选用K210 视觉模块的Maix Bit开发板，搭载canaan公司堪智科技的智能计算芯片K210，是一款AIOT 开发板，将模块与底板结合，并且设计泰普C 接口、接口转换端子电路以及存储卡槽。前方物体通过连接摄像头进行识别，使用SD卡存放识别所需的模型。

2.4 GPS位置定位模块（VK2828U7G5LF）和GSM通信模块（SIM800C）

本文设计作品的位置定位模块选用微科的VK2828U7 G5LF，其具有高灵敏度的GPS天线，性能优异，支持热启动，采用国际支持NMEA0183协议进行数据传输，可输出相关经纬度位置信息以及时间信息；无线通信模块选用SIM 公司的SIM800C。通过串口采用TTL 电平控制，是一款四频的模块，支持全球使用，能够提供语音、短信、彩信、蓝牙数据传输等功能。通用分组无线业务是一种分组交换数据承载和传输方式，由全球移动通信系统基础上发展而来，拥有更高的无线网络信道资源利用率以及更高支持的数据传输的速率，并且在进行数据传输的同时可满足用户进行语音通话。

2.5 红外遥控和报时模块

本文设计作品的无红外控制模块由红外发射器和红外接收器组成，通过红外通信协议进行数据收发，且传输进程不受无线电的干扰；时钟芯片是由美国的达拉斯公司推出的DS1302时钟芯片，能对常用的计时单位进行计时，且具备闰年补偿等多种功能。

2.6 基础驱动模块

本文设计作品的基础驱动模块由超声波模块、L298N 模块、麦克纳姆轮以及陀螺仪模块（MPU6050）模块组成。

超声波测距模块选用由超声波发射器、超声波接收器以及控制电路组成HC-SR04 模块，探测盲区为2 cm，最大探测距离为400 cm。超声波由发射器发射遇障碍物折射后被接收器接收，根据超声波从射出和折射回来的时间差与超声波的传播速度，方可计算得出障碍物和超声波模块间距离[6]。选用L298N 作为本次设计的电机驱动模块，芯片控制端的电平变化由单片机的I/O 输入控制。拥有电机的驱动及控制电机的正转和反转功能[7]，具备很强的驱动能力。

选用麦克纳姆轮作为底板移动轮，基于多轮轴位于机轮周围的中心轮，由该周边轮将部分机轮转向力转化一个机轮法向力上面,实现全方位移动的功能。相较普通的轮子，具有更好的机动性和灵活性。MPU6050 六轴陀螺仪用于测量视障者的行走角度，可在同一时间内测量3个不同方向的加速度、角速度。

3 功能设计

本文设计的智能盲杖系统由物体识别和语音播报设计、GPS和GSM通信设计、摔倒报警设计以及红外遥控自寻找设计组合而成，整体设计流程如图1所示。

图1 整体设计流程图

3.1 物体识别和语音播报设计（包含报时功能）

本文设计的智能盲杖系统通过K210 视觉识别模块识别前方物体，识别完成后将结果通过串口通信传入单片机后，将播报的数据传输给SYN6288 语音模块进行播报前方识别到的物体。同时，在本文智能盲杖的扶手处，设计按键，用户通过按键可以通过SYN6288语音模块来播报当前时间。

在本文的设计中，需先在MaixHub 云端训练所需识别的物体的模型，并将训练完成的信息存储到SD卡中。将SD卡插入K210模块的SD卡槽后，K210模块中会自动使用SD 卡中训练的模型来进行识别。在开发环境MaixPy IDE 中使用Micropython 语言编写K210 子程序。K210子程序中，通过摄像头识别前方障碍物的信息后由串口将识别的信息传入单片机。SY6288 语音模块子程序中，通过串口接收识别到的物体信息，并将识别到的前方物体信息传入语音模块进行播报。报时模块子程序中，通过不断扫描按键状态，判断按键状态是否变化，按下时，获取DS1320 实时时钟模块的实时时间并播报。

3.2 GPS和GSM通信设计

当前用户的地理位置信息通过GPS和串口对GPS模块发射的经纬度和地理位置信息进行数据解码获得，获取；GSM模块则通过SIM800C上携带的SIM卡上的基站信息实现摔倒短信求救和求助信息的主动发送。

3.3 摔倒报警设计

本文设计的摔倒报警功能通过MPU6050 陀螺仪模块检测盲杖的倾斜角度判断。通过将陀螺仪模块放置在盲杖底端获取盲杖X轴、Y轴以及Z轴的加速度和角速度，然后将获取到的加速度和角速度值使用四元数法进行计算，得出盲杖的姿态角，当俯仰姿态角超过75°或横滚姿态角超过60°时，判断为倾倒，此时蜂鸣器发出响声，并将倾倒信息通过IIC 通信传送到GPS/GSM模块中。

3.4 红外遥控自寻找设计

本文设计的红外遥控自寻找功能通过红外模块、红外遥控器和蜂鸣器模块实现，当盲杖遗落时，盲人可按下红外遥控器使蜂鸣器发出响声，由此判断盲杖遗落的位置。

4 实验测试

在现实场景中测试本文设计的盲杖的真实性能：（1）测试该盲杖的视觉识别障碍物功能；（2）测试该盲杖的避障功能；（3）测试该盲杖的摔倒报警与一键报警功能；（4）测试该盲杖的红外自寻找功能。

4.1 准备阶段

实验人员选择两名能够独立行走且具有自主意识的健康视障者，分别为25 岁和65 岁，下文称为A 试验人员和B 试验人员，并且讲解该盲杖的功能与使用方法。在封闭路段的不同场景下，测试使用者能否成功使用该盲杖完成独立出行。

4.2 场地的真实性

场地选取一条封闭道路，并且在道路中每隔5 m放置一个障碍物，分别为水瓶、小狗、汽车、自行车以及终点的水潭。整条道路都配备安全人员，保障试验人员的安全。

4.3 用户测试

首先A 试验人员手握盲杖的手柄部分开始前行，速度为2.1 km/h，前行到水瓶障碍物前50 cm 时，盲杖减速为0.5 km/h并开始语音播报“前方有水瓶，请注意安全”，并在距水瓶15 cm时盲杖开始自主向左缓慢转弯绕行，成功绕行后，依次成功通过小狗、汽车、自行车等障碍物。运行到终点时，距水潭60 cm 处，盲杖停止前进并且开始语音播报“前方有水潭，请停止前行”。

然后盲杖停止前行后，由安全员将测试道路上的障碍物清空，并且调转盲杖的方向，缓慢由A试验人员前行回起点，该过程盲杖在无障碍物的道路上前进稳定，速度为2.1 km/h。

接着在起点进行一键报警功能以及摔倒报警功能测试，A 试验人员，通过使用手柄前端的按键，进行一键报警，5 s 后家人手机成功接收到求救短信“摔倒报警 经度113.74207 纬度23.23222”。

随后将盲杖推倒，使盲杖发送摔倒报警短信给家人，5 s 后家人手机成功接受到求救短信“求救报警经度113.74207纬度23.23222”。

最后由安全人员将盲杖扶起后，A 试验人员手握盲杖的手柄部分，开始测试盲杖的报时功能与红外自寻找功能，通过A试验人员按下手柄左侧按键，盲杖进行报时“北京时间下午两点二十分”，结束报时后，由安全人员将盲杖放置距A试验人员5 m处，由A试验人员红外遥控器的按钮，盲杖开始发出嗡嗡声，随后A试验人员成功判断盲杖的方向。试验结束，成功完成试验。

B试验人员同样进行该试验，盲杖同样稳定运行。

5 智能盲杖的现实应用

随着互联网的逐渐普及，数字化社会成为常态，传统的盲杖难以为视障者提供全方位的帮助；而且盲道的建设城市化高速发展的过程中，也存在不符合标准、被破坏、被占用等的诸多问题，导致视障者在单独外出时更加难以分辨路况从而活动受到限制。因此，智能盲杖的功能设计不仅要保障视障者的出行安全，更需要保障其生命安全。

5.1 识别路障保障出行安全

我国存在盲道被占用率高、建设不合理且路况复杂多变等交通环境问题，导致视障者在出行时，伴随着诸多安全隐患，甚至威胁生命财产安全。本文设计的智能盲杖，具备视觉识别障碍物的技术，在视障者出行过程中，能够提前识别前方的障碍物，并及时进行语音播报，达到智能提示安全避障的效果；同时盲杖能实现自动拐弯、避让障碍物的功能，能有效降低视障者因障碍物而摔倒或碰撞的风险，保障视障者的出行安全是智能盲杖功能设计的第一要义。

5.2 报警系统预防安全隐患

在视障者出行的过程中，由于视力受限而存在许多不定性的安全隐患，可能会导致其陷入危险之中，视障者极有可能难以自行使用智能手机报警从而导致不能得到及时的救治。这种情况在我国时有发生且数量相对较多，因此，本文设计的智能盲杖考虑到视障者自身的生命安全，设置了一键报警的功能，可以通过按下按键发送包含位置信息的求救短信给第一联系人，并提醒其报警，从而保障视障者的生命安全。

6 结语

基于本文设计的智能视觉播报盲杖进行一系列的实际测试，实际测试结果与盲杖的功能设计高度吻合。在复杂的外界环境下，能全方位识别前方障碍物的同时实现语音播报前方障碍物的功能；并且还具备了报时功能和一键快速定位报警功能，及时为家人提供准确的位置求助信息，使视障者在出行过程中能得到安全的保障和便利的服务。因此，智能盲杖的设计较符合新时代视障者的生活需求，且具备较强的稳定性和可使用性，能为视障者提供更好、更全面的安全保障。