基于STM32的智能導(dǎo)盲拐杖

引 言

目前，市場上的導(dǎo)盲拐杖功能單一，無法滿足盲人的需求。盲人外出時(shí)會(huì)遇到各種情況，如遇到障礙物，不清楚路況， 或者因?yàn)楸O(jiān)護(hù)人不在而走丟等。因此，本文利用現(xiàn)代已有技術(shù)， 研究出一種新型導(dǎo)盲系統(tǒng)，通過軟硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)障礙物避障功能，語音提示功能，語音報(bào)時(shí)功能，角度測量防摔功能以及GPS定位功能，以幫助盲人解決出行時(shí)遇到的問題。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)所構(gòu)建的基于STM32 處理器的電子導(dǎo)盲系統(tǒng)主要針對盲人這一特殊人群所設(shè)計(jì)，旨在方便盲人出行，為其創(chuàng)造一個(gè)更加安全的環(huán)境。通過綜合應(yīng)用STM32 控制、超聲波測距、角度測量、GPS 定位等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。STM32 控制為主控制電路 ；超聲波模塊可時(shí)時(shí)測量盲人在行走時(shí)前方是否有障礙物，并通過語音提示對盲人進(jìn)行提醒 ；在盲人跌倒時(shí)，警報(bào)模塊迅速發(fā)出聲音，警示監(jiān)護(hù)人；使用 GPS 進(jìn)行定位，為監(jiān)護(hù)人尋找盲人提供了有利條件，同時(shí)也為盲人提供了諸多方便。導(dǎo)盲拐杖整體設(shè)計(jì)圖如圖 1 所示。

2 模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控制器選擇

本導(dǎo)盲系統(tǒng)采用STM32 作為主要的控制電路，STM32 控制器相較于 51 單片機(jī)，擁有主頻率更高、處理能力更強(qiáng)、耗能低、成本低等特點(diǎn)，是一款性價(jià)比較高的嵌入式處理器。同時(shí)還具有 PWM、DA、AD 等常用外設(shè)，使用方便，只需32.768 kHz 的晶振頻率和 3 V 的電壓即可工作。

2.2 超聲波避障模塊設(shè)計(jì)

利用超聲波避障的好處在于測量方式簡單，易于實(shí)現(xiàn)， 成本低，覆蓋面廣。超聲波避障模塊的原理與雷達(dá)測物的原理極為相似，超聲波發(fā)射器從某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物時(shí)發(fā)出的超聲波會(huì)立即返回，超聲波接收器接收被反射回的超聲波則計(jì)時(shí)停止。由 s=tv/2就可計(jì)算出障礙物的距離。本設(shè)計(jì)采用HC-SR04超聲波傳感器，該模塊性能穩(wěn)定，測距精準(zhǔn)。

STM32 主控制電路發(fā)送 40 kHz 的脈沖信號(hào)，超聲波發(fā)射器發(fā)射信號(hào)后，經(jīng)超聲波換能器處理后轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)， 當(dāng)探測到前方的障礙物時(shí)，將超聲波所測得的距離發(fā)送給語音模塊，從而提醒盲人成功避開障礙物。

2.3 角度測量防摔模塊

角度測量防摔模塊應(yīng)用角度傳感器來測量角度。當(dāng)盲人行走，由于地面不平導(dǎo)致盲人身體傾斜或?qū)⑺さ箷r(shí)，當(dāng)角度探測小于 30 ，則認(rèn)為盲人即將摔倒，角度測量器把信息傳給警報(bào)模塊，警報(bào)模塊發(fā)出警報(bào)，通知監(jiān)護(hù)人，由監(jiān)護(hù)人迅速將盲人扶穩(wěn)。

2.4 警報(bào)模塊

警報(bào)模塊將蜂鳴器與角度測量模塊相結(jié)合，為監(jiān)護(hù)人提供盲人的信息。當(dāng)角度測量器檢測到拐杖的角度小于 30 時(shí)， 此時(shí)，STM32 主控制電路啟動(dòng)蜂鳴器，提醒監(jiān)護(hù)人。蜂鳴器電路如圖 2 所示。

2.5 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS 技術(shù)從根本上解決了定位問題。由衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶接收到信息后，經(jīng)計(jì)算，求出接收機(jī)的三維位置、三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。

在設(shè)計(jì) GPS 模塊 時(shí)， 考慮到定位的精確性， 選用SIM808GPS 傳感器模塊。此模塊的優(yōu)點(diǎn)在于覆蓋范圍廣，開發(fā)板設(shè)計(jì)小， 易于安裝， 模塊主要包括主機(jī)、接收機(jī)和電源三部分。電源模塊主要與 STM32 主處理器相連， 通過STM32 為其供電，可使GPS 模塊正常使用；接收機(jī)主要接收經(jīng)緯度信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。通過接收到的經(jīng)緯度信息判斷盲人所處的具體位置。

2.6 語音提示模塊

考慮到產(chǎn)品的對象為盲人，因此本設(shè)計(jì)加入語音提示模 塊及語音時(shí)間播報(bào)功能，主要對盲人進(jìn)行語音提醒。語音模 塊與超聲波測距模塊相結(jié)合，可時(shí)刻提醒盲人前方障礙物的 情況。由于盲人在出行時(shí)無法知道時(shí)間，因此設(shè)計(jì)有定時(shí)播報(bào) 時(shí)間。語音芯片采用 SYN6288 中文芯片，此芯片具有低功耗， 接口簡單，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。STM32 主控制器的串行接口與 SYN6288 語音芯片通信，對其發(fā)送控制命令和文本，然后語 音芯片將接收到的文本合成為語音芯片信號(hào)輸出。

2.7 電源模塊

電源模塊主要是為整個(gè)導(dǎo)盲系統(tǒng)提供電源，使其可正常工作。在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，由于 GPS 耗電量較大，不僅要考慮節(jié)能，還要考慮用電量的問題，因此采用可充電的鎳鎘電池。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波檢測流程圖

超聲波測距是本系統(tǒng)的一個(gè)重要部分，其測距軟件流程如圖 3 所示。

先將系統(tǒng)初始化，啟動(dòng)超聲波模塊發(fā)射超聲波，同時(shí)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，看接收器能否接收到回波，若沒有接收到回波， 則繼續(xù)采集數(shù)據(jù)，計(jì)數(shù)器繼續(xù)工作 ；若接收到回波，則計(jì)數(shù)器 停止工作，并將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算器，由于超聲波模塊測距與 溫度有關(guān)，因此需要在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前對其進(jìn)行溫度修正，方可得 到比較精確的距離。 

3.2 跌倒檢測告警流程圖 

為防止盲人將跌倒時(shí)監(jiān)護(hù)人未發(fā)現(xiàn)的情況出現(xiàn)，在程序中 設(shè)定了相應(yīng)程序，即盲人在行走時(shí)，角度測量器判斷拐杖的角 度是否小于 30°，若不小于則繼續(xù)測量，若小于 30°，則認(rèn)為 盲人將摔倒，此時(shí) STM32 主處理器啟動(dòng)蜂鳴器，從而使監(jiān)護(hù) 人迅速意識(shí)到盲人的情況。圖 4 所示為角度檢測流程圖。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于角度傳感器可檢測拐杖狀態(tài)，當(dāng)盲人不慎摔倒時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)蜂鳴器告知盲人當(dāng)前的情況，使監(jiān)護(hù)人迅速反應(yīng)攙扶盲人。當(dāng)遇到障礙物時(shí)通過超聲波測算障礙物距離進(jìn)行語音提示，提示盲人自身位置與障礙物間的距離，通過GPS 對盲人進(jìn)行精確定位，從而獲得盲人的精確位置，防止其走丟。本設(shè)計(jì)具有成本低，障礙物檢測精度高，跌摔檢測可靠等優(yōu)點(diǎn)，可滿足盲人朋友的需求，便于推廣使用。