多功能盲人智能拐杖的设计

第２４卷　Ｖ０１．２４　第ｌ４期　

Ｎｏ．１４　电子设计工程　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１６年７月　

Ｊｕ１．２０１６　

多功能盲人智能拐杖的设计　贾丹平，王岩，王阳，于博　（沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳１１０８７０）　

摘要：为了方便盲人朋友出行，提出了一种基于ＳＴＣ９０Ｃ５１６ＲＤ单片机的多功能盲人智能拐杖设计方案，并完成了系　统的软硬件设计。整个系统采用模块化设计，由测距模块、电子指南模块、时钟显示模块、ＧＳＭ通信模块、语音播报等　模块组成，实现了报时、紧急呼救、方位辨识和障碍探测等功能，并且所有功能均伴有语音提示。为了使设计更加人性　化．该系统设置了功能按键，使用者可以通过按键实现各个功能之间的切换。实际应用结果表明，智能拐杖不但克服　了传统拐杖的缺点．而且使用简单．能够为盲人朋友提供更加便捷、安全的出行方式。　关键词：单片机；测距；电子指南；ＧＳＭ通信；语音播报　中图分类号：ＴＮ４０９　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１６）１４—０１３６－０３　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓｍａｒｔ　ｃａｒｔｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄ　

ＪＩＡ　Ｄａｎ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎ，ＷＡＮＧ　Ｙａｎｇ，ＹＵ　Ｂｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１１０８７０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ　ｔｈｅ　ｗａｌｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｓｍａｒｔ　ｃａｎｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔｃ９０ｃ５１６ｒｄ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｓ　ｍｏｄｕｌａｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｎｅ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｍｐａｓｓ　ｍｏｄｕｌｅ，ｃｌｏｃｋ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅ，ＧＳＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｖｏｉｃｅ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｅｌｌｉｎｇ　ｔｉｍｅ，ａｓｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ｈｅｌｐ，ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ　ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｏｂｓｔａｃｌｅｓ　ａｒｅ　ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｅｄ，ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ａｌｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｒｅ　ａｓｓｏｃｉａｔｅｄ　ｗｉｔｈ　ｖｏｉｃｅ　ｐｒｏｍｐｔ．Ｔｈｅ　ｓｗｉｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｅａｃｈ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｗａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｂｙ　ｂｕｔｔｏｎｓ　ｓｅｔ　ｉｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｏｒｅ　ｈｕｍａｎｉｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｓｍａｒｔ　ｃａｎｅ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｓｈｏｒｔｃｕｔｓ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｃａｎｅ，ｂｕｔ　ａｌｓｏ　ｕｓｅｓ　ｅａｓｉｌｙ，ｉｔ　ｃａｎ　ｏｆｆｅｒ　ａ　ｔｒｉｐ　ｗａｙ　ｏｆ　ｓａｆｅ　ａｎｄ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｃｏｍｐａｓｓ；ＧＳＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｖｏｉｃｅ　ｂｒｏａｄｃａｓｔｉｎｇ　

中国是全世界盲人最多的国家，约６ＯＯ　７００万盲人．占　世界盲人总数的１８％，由于视力的原因，他们的行动很不方　便【ｌ１。在多数情况下，盲人出行只能依靠导盲犬和拐杖。由于　培训导盲犬需要花费较长的时间和较高的成本，所以更多的　人选择拐杖。然而传统意义上的盲人拐杖只是一根长棍．不　但结构简单，而且实现的功能也比较普通．存在一系列的不　足。例如，无法对使用者将要接近的障碍物进行提醒，无法告　知使用者当前的方位和时间，紧急情况下使用者无法向家人　求助等［２１。文中针对这些不足，利用电子技术设计了一款集障　碍报警、方位辨别、一键求救等功能于一体的盲人智能拐杖。　１系统硬件设计　整个系统由超声波测距模块、电子指南模块、ＧＳＭ电话　模块、语音播报模块、时钟显示模块等构成。以ＳＴＣ９ＯＣ５１６ＲＤ　单片机作为主控器，使整个系统能够正常工作。系统的硬件　功能框图如图１所示。该智能拐杖的所有操作均有语音提　示，使用简单，包含４个独立按键，４个按键的功能分别是时　收稿日期：２０１５—０８—１８　稿件编号：２０１５０８０９４　间播报、紧急呼救、方位辨识和障碍探测。　多功能盲人智能拐杖　

功能按键　时间播撤　方位ｌ　ｌ紧急ｌ　Ｉ障碍　辨识Ｉ　ｌ求助Ｉ　ｌ测距　

罱　

Ｉ　Ｉ　Ｉ嫠ｌ　ｌｌｌＩ黩ｌ源模块　模块ｌｌ模块Ｉ　ｌ南模块ｌ　Ｉ信模块ｌ　Ｉ　榄块ｌＩ模块ｌ　ｌ　儇　单片帆　：控系统　图１系统硬件功能框图　１．１超声波测距模块　超声波测距模块的工作原理是使用超声波发射模块发　射超声波，当确定发射模块已经开始工作时．利用软件进行　计时，当超声波接收模块收到超声波在空气中碰到障碍物返　回来的反射波后，程序便立刻停止计时，这样就可以得到发　射超声波和接收回波的时间差Ａｔ．将空气中超声波的传播速　度设为　，然后利用Ｓ＝ｖ·Ａｔ／２，就能够计算出超声波模块发　射点距障碍物的距离．ｓ，即时间差测距法　。设计中，当测距　

作者简介：贾丹平（１９６８一），女，陕西户县人，博士，副教授。研究方向：光电检测技术。　—．１３６　．　贾丹平，等　多功能盲人智能拐杖的设计　按键被按下后，启动超声波测距模块，该模块可实时检测前　方障碍距离，当前方障碍小于３０　ｃｍ时，语音播报“前方有障　碍”，从而帮助使用者避开障碍。　１．２电子罗盘指南模块　地磁场可以被看作是一个矢量，它对于一个固定的地点　来说可以被分解为两个分量，分别是垂直于当地水平面分量　和平行于当地水平面的分量。若放置罗盘的位置和当地的水　平面平行，那么水平方向的两个分量的矢量和总是指向磁北　的。将磁北和当前方向的夹角定义为电子罗盘的航向角，当　水平放置电子罗盘时。航向角可以通过磁力计水平方向两轴　的检测数据来计算，并且航向角的变化范围为０～３６０度［５１。　设计中，为了帮助使用者能够更好地辨识方向。使用了　ＨＭＣ５８８３Ｌ数字罗盘对方向进行识别。当方向辨别按键被按　下后，可通过语音对使用者的当前方位进行播报。　１．３语音播报模块　为了实现拐杖的智能化，语音模块是不可缺少的［６１。语音　播报的原理框图如图２所示。中央控制器通过四根控制线　ＳＣＵ（、ＭＯＳＩ、ＭＩＳＯ、／ＳＳ的ＳＰＩ协议对ＩＳＤ１７００进行串口通　信。将ＩＳＤ１７０ｏ作为从机，操作都可以通过ＳＰＩ协议来完成。　ＳＰＩ总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使单片机与　外围设备以串行方式进行通信以交换信息。接口信号ＭＯＳＩ　（ＭＩＳＯ）是指主器件数据输出（输入），从器件数据输入（输　出）；ＳＣＬＫ是由主器件产生的时钟信号；，ＳＳ是由主器件控制　的从器件使能信号。设计中，语音模块用于对前方障碍物的　提示、对前方方向的说明、整点报时、闹钟和时间播报。本次　设计使用的是ＩＳＤ１７６０语音芯片，该模块录音时间长达６０　ｓ，　录放控制过程简单，易于单片机编程控制，并且成本低。该模　块可以和单片机进行串口通信。进而实现声音的录制。录制　好的声音会被存储在其内部的存储器中。通过读取存储地址　可以反复播放录制好的声音。　图２语音播报框图　１．４时钟显示模块　时钟模块选用ｄｓ１３０２时钟芯片。该模块能够提供当前　时间、星期、月份和年份等信息，也通过时钟设定按键设置这　些信息。还可以通过按键设置闹钟。时钟模块不但具有闰年　补偿功能．而且当月份的天数小于３１天时还可以自动调整。　由于ｄｓ１３０２芯片具有备用电池引脚．所以将纽扣电池连接　到该引脚上，使得外部断电后，时钟芯片依然可以正常工作。　显示模块使用液晶１２８６４进行显示。１２８６４液晶有两种　传输方式，分别是并行传输方式和串行传输方式，其中，并行　传输的数据传输速度快。一次可以传输８位数据，但缺点是　它需要占用较多的Ｉ，０口。串行传输方式的数据传输速率较　慢，但串行传输方式只占用一个数据口，大大地节省了Ｉ／Ｏ　口。考虑到本设计若采用并行传输方式会导致Ｉ，０口数量不　够，且对数据传输速率要求不高，因此，采用串行传输方式进　行数据传输。显示模块主要用来调节时间。即当时钟模块走　时出现偏差时，可以通过预先设置的按键来调节时间。同时　也有利于设置闹钟的时间，有利于人们更方便的使用。时钟　显示模块的整体框图如图３所示。　图３时钟显示框图　１．５　ＧＳＭ通信模块　为了使盲人能够在危急情况下呼叫家人，本次设计采用　了ＳＩＭ９００Ａ通信模块，实现一键求救功能。ＳＩＭ９ＯＯＡ通信模　块功耗低，可以在两种工作频率下工作，ＴＣＰ／ＩＰ协议嵌入模　块内部，可以实现语音和短信等数据的传输　。使用前需要　在模块上安装一张有话费的电话卡。插上耳机和麦克后，通　过控制按键便可以向指定号码拨打电话．对方接听后便可以　进行通话，给使用者带来便利。该模块通过串口ＴＸＤ、ＲＸＤ与　单片机串口相连接，实现一键打电话功能。　１．６硬件连接　将上述模块组合在一起．即完成了智能拐杖的整体硬件　设计，整个系统的硬件连接如图４所示。　

２系统软件设计　软件设计采用模块化思想。正常情况下，系统处于待机　状态。当使用者需要帮助时，可以按下所需服务的按键，微处　理器会对按键状态进行实时检测并进行处理．然后启动相应　的模块。完成要求的功能。　障碍检测按键被按下时，微处理器向超声波模块ＲＸ引　脚发送１０　ｓ脉冲触发信号，模块内部将发出８个４０　ｋＨｚ周　期电平并检测回波，检测到回波后，模块将输出一个回响信　号．通过回波信号与回响信号时间间隔。在程序中利用时间　差测距法，计算出障碍物距离，当测量值小于程序中设定的　安全距离时。调用语音播报程序进行语音提醒；方位检测按　键被按下时．调用电子罗盘方位检测程序。微处理器通过ＦＣ　通信协议读出罗盘内部８位测量数据，根据之前测定的各方　位数据范围，使用软件判断方位，并调用语音程序进行方位　播报：拨打电话按键被按下时，微处理器通过向串口发送ＡＴ　指令。控制ＧＳＭ通信模块工作，实现向程序中设置的号码拨　打电话的功能；报时按键被按下时，微处理器使用ＳＰＩ通信协　议读出ＤＳ１３０２的ＲＡＭ中存储的时间数据，调用语音程序播　报时间；同时，使用１２８６４液晶屏的串行传输方式显示　ＤＳ１３０２的ＲＡＭ中存储的时间和闹钟信息；微处理器与语音　播报模块之间采用ＳＰＩ通信方式，微处理器通过判断被按下　的功能按键的类型来调用语音芯片存储地址中的相应音频，　进行语音播报。系统的软件流程图如图５所示。　一１３７－