基于STM32的智能盲人斑馬線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳小平，李小云，黎思丹

（浙江理工大學(xué) 理學(xué)院，杭州310018）

2014年殘疾人統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有500 萬(wàn)盲人和數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的視力殘疾人，且隨著人口總數(shù)和老齡人口數(shù)量的增加，視障人群數(shù)量增加趨勢(shì)愈演愈烈[1-3]。盲人作為社會(huì)的弱勢(shì)群體，常因?yàn)闊o(wú)法及時(shí)獲取有效的交通信息，導(dǎo)致這些被稱(chēng)為“黑暗中的行者” 的盲人每次出行都是一次生與死的博弈。在科技與經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的今天，我們應(yīng)該重視并關(guān)愛(ài)這一弱勢(shì)群體。2010年，蘇州聾盲學(xué)校方紅校長(zhǎng)提交的《關(guān)于在十梓街的市盲聾學(xué)校道口設(shè)置斑馬線》的建議在全國(guó)“兩會(huì)”上被列為第148 號(hào)議案，引起了各級(jí)政府的高度重視。“兩會(huì)”結(jié)束后，蘇州盲聾啞學(xué)校附近出現(xiàn)了一條國(guó)內(nèi)首例 “盲人斑馬線”。但這類(lèi)盲道式斑馬線，在車(chē)輛駛過(guò)時(shí)，輪胎與突起部分碰撞容易發(fā)出噪音，直接影響周?chē)用竦纳睿罱K該盲人斑馬線僅存半個(gè)月就被拆除。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)于盲人出行輔助工具的研究，其中電子輔助設(shè)備、可穿戴式設(shè)備[4-13]以及導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[14-18]為研究重點(diǎn)，而智能盲人斑馬線的研究還比較少。因此，設(shè)計(jì)一款既能保障盲人安全過(guò)馬路，又能解決噪音擾民問(wèn)題的智能盲人斑馬線是非常有必要的。

本文提出了一種基于STM32 的智能盲人斑馬線系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32 微控制器為主控器，通過(guò)控制語(yǔ)音播報(bào)模塊用于提示過(guò)馬路的行人，提高行人過(guò)馬路的效率。通過(guò)人體感應(yīng)和稱(chēng)重傳感器檢測(cè)在信號(hào)燈為紅燈時(shí)斑馬線上的行人情況，同時(shí)控制智能斑馬線凸起方塊升降，減少過(guò)往車(chē)輛與斑馬線碰撞發(fā)出的噪音。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，系統(tǒng)硬件主要需要實(shí)現(xiàn)以下三方面功能：①在信號(hào)燈變成綠燈前3 s，指令斑馬線轉(zhuǎn)成盲道模式，待信號(hào)燈變成綠燈時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)來(lái)提示過(guò)馬路的行人（尤其是盲人和低視力者），其音量大小可以通過(guò)分貝監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到的環(huán)境噪音大小來(lái)加以調(diào)整，從而提高行人過(guò)馬路的效率；②通過(guò)人體感應(yīng)模塊和稱(chēng)重傳感器來(lái)檢測(cè)斑馬線上行人數(shù)量（尤其是在信號(hào)燈快要變成紅燈時(shí)的人數(shù)），結(jié)合語(yǔ)音播報(bào)模塊，實(shí)現(xiàn)在信號(hào)燈變成紅燈時(shí)，斑馬線上已無(wú)行人；③通過(guò)稱(chēng)重傳感器，結(jié)合人體感應(yīng)模塊來(lái)精準(zhǔn)地判斷信號(hào)燈變成紅燈時(shí)，斑馬線上的行人情況，當(dāng)斑馬線上已無(wú)行人時(shí)，主控模塊控制旋轉(zhuǎn)式盲人斑馬線降下，車(chē)輛通行；當(dāng)斑馬線上仍有行人時(shí)，主控模塊控制交通信號(hào)燈，延長(zhǎng)黃燈時(shí)間5～10 s，待行人通過(guò)后，控制旋轉(zhuǎn)式盲人斑馬線降下，車(chē)輛通行，減少過(guò)往車(chē)輛與斑馬線摩擦發(fā)出的噪音。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)Fig.1 Overall hardware design of the system

1.2 主控模塊

選用正點(diǎn)原子最新的阿波羅STM32F767 微控制器作為主控芯片，此版開(kāi)發(fā)板支持百兆網(wǎng)卡、雙RS232 串口、音視頻播放等多項(xiàng)功能，再加上最新的F767 芯片，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本智能盲人斑馬線系統(tǒng)的需求，還為后期的改進(jìn)與提高及傳感器的添加，提供了足夠的平臺(tái)條件。阿波羅STM32F767 開(kāi)發(fā)板（如圖2）是一款基于Cortex-M3 內(nèi)核的微控器，該控制器在性能和成本及實(shí)時(shí)控制方面設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。Cortex 系列是一個(gè)完整的處理器核心，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的CPU 和系統(tǒng)架構(gòu)。Cortex 系列具有3 個(gè)主要的配置系列：高端應(yīng)用系列，實(shí)時(shí)應(yīng)用系列，成本敏感和微控器應(yīng)用系列，采用高性能32 位RISC 內(nèi)核，工作頻率高。該內(nèi)核具有單浮點(diǎn)單元精度，支持所有的ARM 單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類(lèi)型，還能實(shí)現(xiàn)完整的DSP 指令集和增強(qiáng)應(yīng)用安全性的存儲(chǔ)器保護(hù)單元。該開(kāi)發(fā)板具有完備的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，編譯程序只要燒錄到開(kāi)發(fā)板上即可使用。

圖2 阿波羅STM32F767 開(kāi)發(fā)板Fig.2 Apollo STM32F767 development board

1.3 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊選用WT588D-U，如圖3 所示。WT588D-U 是深圳唯創(chuàng)知音電子有限公司研發(fā)的一款工業(yè)級(jí)語(yǔ)音模塊。按鍵控制模式觸發(fā)方式靈活，可隨意設(shè)置任意按鍵為觸發(fā)方式。串口控制模式（1線和3 線）可通過(guò)MCU 發(fā)碼端控制語(yǔ)音播報(bào)及音量大小。采用語(yǔ)音芯片WT588D-20SS 當(dāng)作主控芯片；內(nèi)嵌人聲語(yǔ)音處理器及PWM 音頻處理，使語(yǔ)音表現(xiàn)更為自然悅耳，確保高品質(zhì)語(yǔ)音輸出；PWM 輸出可直接推動(dòng)揚(yáng)聲器，推挽電流充沛；支持按鍵及串口（1 線和3 線）控制模式；最多可加載數(shù)百段語(yǔ)音；配套上相應(yīng)軟件（如WT588D VoiceChip），能極大程度地拓展WT588D-U 語(yǔ)音播報(bào)模塊的各項(xiàng)功能，該語(yǔ)言播報(bào)模塊的工作電壓為DC 2.8 V～5.5 V；休眠時(shí)電流小于10 μA；具有很強(qiáng)的抗干擾性，符合工業(yè)應(yīng)用的要求，適用于各種復(fù)雜環(huán)境場(chǎng)所，應(yīng)用范圍廣。

圖3 WT588D-U 語(yǔ)音播報(bào)模塊Fig.3 WT588D-U voice broadcast module

1.4 人體感應(yīng)模塊

人體感應(yīng)模塊采用雙元（A、B 元） 探頭的HCSR505 模塊（如圖4 所示），探頭的窗口為方形，雙元探頭位于較長(zhǎng)方向的兩端，該模塊為全自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開(kāi)感應(yīng)范圍則輸出低電平。當(dāng)人體從左到右或從右到左走過(guò)時(shí)，紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過(guò)時(shí)，雙元檢測(cè)不到紅外光譜距離的變化，無(wú)差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動(dòng)最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過(guò)時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)。該模塊分為兩種觸發(fā)方式：不可重復(fù)和可重復(fù)觸發(fā)方式，可跳線選擇，默認(rèn)為可重復(fù)觸發(fā)方式。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡（菲涅爾光學(xué)透鏡，距離越遠(yuǎn)，感應(yīng)越強(qiáng)，角度越大），也使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個(gè)方向感應(yīng)范圍廣、靈敏度高。

圖4 HC-SR505 人體感應(yīng)模塊Fig.4 HC-SR505 body sensing module

1.5 稱(chēng)重傳感器模塊

稱(chēng)重傳感器選用的是柯力SQB1t-5t 型稱(chēng)重傳感器（如圖5 所示），其與相應(yīng)的儀器配套，可廣泛用于各種電子衡器和自動(dòng)稱(chēng)重系統(tǒng)。此外，還可以選用不同形式的配套儀器，以滿足不同的應(yīng)用要求。該稱(chēng)重傳感器精度高、壽命長(zhǎng)、可靠性好、體積小巧、安裝使用方便、各項(xiàng)性能穩(wěn)定，具有良好的防塵、防潮、防損等優(yōu)點(diǎn)，可在各種復(fù)雜環(huán)境下正常工作，該傳感器額定負(fù)載荷為1～5 t。

圖5 柯力稱(chēng)重傳感器Fig.5 Cori weighing sensor

傳感器彈性體采用優(yōu)質(zhì)專(zhuān)用金屬材料，在應(yīng)變敏感區(qū)域粘貼上R1、R2、R3及R4四個(gè)應(yīng)變計(jì)，組成惠斯通電橋，當(dāng)受外力作用時(shí)，彈性體變形，引起應(yīng)變計(jì)R1、R3受拉伸，從而電阻值變大；R2、R4受壓縮，電阻值變小，使惠斯通電橋失去平衡，輸出與外力成正比的電壓信號(hào)。測(cè)量電橋由于具有高靈敏度、寬測(cè)量范圍、簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)、高精度等優(yōu)點(diǎn)，因此能夠較好地滿足應(yīng)變測(cè)量要求?？铝ΨQ(chēng)重傳感器具有結(jié)構(gòu)特殊的彈性體，使其抗彎抗扭強(qiáng)度高，從而提高傳感器的自振頻率和抗倒、抗干擾特性，傳感器安裝連接方便、簡(jiǎn)單、可靠。

2 系統(tǒng)軟件與裝置設(shè)計(jì)

整個(gè)主控制程序設(shè)計(jì)思路流程如圖6 所示。為了能更好地符合實(shí)際斑馬線路口的情況，在程序上也包括了交通燈，這在單片微控制器中利用計(jì)數(shù)器很容易實(shí)現(xiàn)。在本程序中，總設(shè)置為約30 s 一個(gè)循環(huán)的交通燈系統(tǒng)。其中紅綠燈時(shí)間分別為10 s，每次黃燈時(shí)間為5 s。首先，對(duì)STM32F767 的串口、定時(shí)器及各個(gè)模塊進(jìn)行初始化。然后通過(guò)獲取信號(hào)燈的信息給出下一步指令，當(dāng)信號(hào)燈在變成紅燈前5 s，就指令語(yǔ)音播報(bào)提醒行人綠燈馬上結(jié)束，請(qǐng)快速通行；當(dāng)信號(hào)燈變成了紅燈時(shí)，指令人體感應(yīng)和稱(chēng)重傳感器檢測(cè)斑馬線上是否仍有行人，若斑馬線上仍有行人，則延長(zhǎng)黃燈時(shí)間5～10 s，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斑馬線上行人情況，若斑馬線上沒(méi)有行人，則指令斑馬線轉(zhuǎn)成非盲道模式，并提醒行人禁止通行。在信號(hào)燈變成綠燈前3 s，指令斑馬線轉(zhuǎn)成盲道模式，待信號(hào)燈變成綠燈時(shí)，通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)提醒行人可以通行。完成一個(gè)流程后，回到獲取信號(hào)燈的信息步驟，并重復(fù)以上步驟給出下一步指令。

圖6 主控制程序流程Fig.6 Main control program flow chart

3 功能實(shí)現(xiàn)分析

該智能盲人斑馬線的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：①旋轉(zhuǎn)升降的實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單方便，該結(jié)構(gòu)以圓柱體為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，升降的實(shí)現(xiàn)只需要旋轉(zhuǎn)90°角即可，幾乎不需要額外的電機(jī)傳動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換部件就能實(shí)現(xiàn)；②載重能力僅與旋轉(zhuǎn)部件的材質(zhì)有關(guān)，也是得益于圓柱體的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使得該部件無(wú)論是哪個(gè)切面朝上，底部都是圓弧狀的，那么只要?dú)んw本身能匹配上該圓弧的形狀，當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件受力朝下的時(shí)候，旋轉(zhuǎn)部件便與殼體自然貼合，載重的部位也轉(zhuǎn)移至貼合位置，因而載重能力也與中心軸的粗細(xì)無(wú)關(guān)。

智能斑馬線的實(shí)物圖如圖7 所示，其核心部件為旋轉(zhuǎn)部件，以圓柱體的形狀為基礎(chǔ)，圓柱體的側(cè)面設(shè)置兩個(gè)切面，其中一個(gè)切面與殼體表面相平，另一個(gè)切面到圓柱體軸心的距離大于與殼體表面相平的切面到圓柱體軸心的距離，具體設(shè)置為高于殼體表面5 mm 的高度，此為盲道的高度標(biāo)準(zhǔn)，具體的表現(xiàn)如圖8 所示。我們對(duì)智能斑馬線實(shí)際模型進(jìn)行了測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)室模型能夠準(zhǔn)確地按照整個(gè)主控制程序設(shè)計(jì)思路的流程進(jìn)行運(yùn)行，圖9 為智能斑馬線升起和降下的側(cè)視圖。

圖7 智能盲人斑馬線裝置實(shí)物圖Fig.7 Physical picture of intelligent blind Zebra crossing device

圖8 智能斑馬線旋轉(zhuǎn)部件設(shè)計(jì)圖（左圖為降下?tīng)顟B(tài)，右圖為升起狀態(tài)）Fig.8 Design drawing of rotating parts of intelligent Zebra crossing（the left figure is the descending state and the right figure is the rising state）

圖9 智能斑馬線升起和降下的側(cè)視圖Fig.9 Side view of raising and lowering of intelligent Zebra crossing

該產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室已完成全部的研發(fā)，能夠正常運(yùn)行，并通過(guò)了科技查新，并未有重復(fù)的。本產(chǎn)品已申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利，其中2 項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利已獲得授權(quán)[18-19]，其他專(zhuān)利狀態(tài)為實(shí)審中，以上成果充分說(shuō)明了本產(chǎn)品具有高的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以STM3232F767 微控制器作為主控芯片，基于語(yǔ)音播報(bào)、人體感應(yīng)、稱(chēng)重傳感器等檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款能夠安全指引盲人通行的旋轉(zhuǎn)式升降盲人斑馬線系統(tǒng)。該系統(tǒng)凸起方塊的智能升降，使之能夠在盲人過(guò)馬路時(shí)幫助盲人快速安全通行，而在汽車(chē)通行時(shí)避免發(fā)出擾民的噪音，從而使其他市民更容易接受。此外，傳感器的設(shè)置使之能夠智能監(jiān)測(cè)盲人所處的位置，適當(dāng)延長(zhǎng)黃燈時(shí)間，同時(shí)提醒盲人加快通行速度。從理論上而言，該結(jié)構(gòu)具有較好的傳動(dòng)性能和載重能力，但是全部設(shè)計(jì)過(guò)程仍處于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，并沒(méi)有得到實(shí)際應(yīng)用下的驗(yàn)證與改進(jìn)。但是相比于前人的研究重點(diǎn)，該研究方向直接從實(shí)際需求入手嘗試解決，相信為解決盲人過(guò)斑馬線問(wèn)題提供了一個(gè)較新的思路與方向。