一種新型的盲道與探測器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

柴亞南 馬玲玲

摘 要： 針對目前城市盲道主要采用盲人腳底感覺區(qū)別盲道來引導(dǎo)盲人出行中存在的一些問題，設(shè)計(jì)一種新型的基于敷設(shè)釹鐵硼磁鐵的盲道和手持探測棒系統(tǒng)，給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)原理圖及方法。該系統(tǒng)的盲道與現(xiàn)有的盲道不同，它將原有的盲道敷設(shè)的地面磚換成具有磁性材料的地面磚，使用單片機(jī)、磁性傳感器系統(tǒng)和藍(lán)牙模塊構(gòu)成的磁性探測棒進(jìn)行探測，具有磁性檢測靈敏度、提示音量可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，并可以通過藍(lán)牙模塊，配合基于百度地圖開發(fā)的盲人手機(jī)的導(dǎo)航APP，語音提示當(dāng)前的地理位置，也可以通過探測棒上的蜂鳴器提示是否行走在盲人道內(nèi)，極大地方便了盲人的出行。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)造簡單、使用方便，通過實(shí)際測試和實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞： 盲道； 探測棒； 釹鐵硼磁鐵； 藍(lán)牙模塊； 磁性傳感器系統(tǒng)； 導(dǎo)航APP

中圖分類號： TN215?34； TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0041?03

Design and realization of a new blind lane and detector

CHAI Yanan1， MA Lingling2

（1. School of Electrical Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China； 2. Shandong University， Jinan 250061， China）

Abstract： In allusion to the problems existing in the current outgoing guidance of blind people who discriminate blind lanes in cities by relying on feeling of their feet， a new system of blind lane based on laying of neodymium magnets and hand?held detection bar is designed. The detailed diagram and method of the design principle are given. The blind lane of the system is different from the current blind lane. The original ground bricks laid on blind lanes are substituted by the ground bricks with magnetic materials. The magnetic detection bar composed of the SCM， magnetic sensor system and Bluetooth module is used for detection， which has the advantages of sensitive magnetic detection and adjustable beep volume. Voice prompt of the current geographic position can be realized by using the Bluetooth module matched with blind people′s navigational mobile APP developed based on the Baidu map. The blind people can be reminded whether they are on the blind lane via the buzzer on the detection bar， which greatly facilitates the outgoing of blind people. The system has simple design construction， and is easy to use. The actual test and experiment show that the system has achieved the initial design purpose.

Keywords： blind lane； detection bar； neodymium magnet； Bluetooth module； magnetic sensor system； navigational APP

隨著物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和應(yīng)用的普及推廣，各種以傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)為通信基礎(chǔ)的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，為不同的應(yīng)用提供了極大的方便。但是，如何讓那些殘疾人享受到新技術(shù)帶來的方便，成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。目前各個(gè)城市在道路建設(shè)過程中，為了考慮到盲人行走的方便，都拿出一定的范圍修建了盲人步道。它主要是通過路面花紋的不同，通過盲人腳底的感覺區(qū)別盲道，從而引導(dǎo)盲人的出行。但是它存在一個(gè)問題，由于鞋底的厚度不同，有時(shí)腳底的感覺不是很明顯。而且由于路面的花紋凹凸不平，容易造成絆倒事故的發(fā)生。最重要的是盲人行走過程中無法知道自己目前行走的位置。

針對這些問題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于永磁材料的新型盲道和基于此盲道的探測棒，這種盲道的路面與正常路面一樣平整，只是在其中間加入了永磁材料。盲人在出行時(shí)，通過手持的磁場檢測棒就可以探測到盲人步道，當(dāng)探測棒保持在磁塊的磁場內(nèi)，探測棒無聲音，當(dāng)超出磁場范圍時(shí)，探測棒則發(fā)出滴滴聲音，從而提示和引導(dǎo)盲人行走在正確的盲人步道上。該系統(tǒng)使用范圍廣泛不僅可以用在各種城鄉(xiāng)道路，也可以用在社區(qū)道路、家庭等室內(nèi)場所。

1 磁性盲道的構(gòu)成

基于磁珠磁場的磁性盲道的設(shè)計(jì)原理很簡單，敷設(shè)方法也不復(fù)雜。在道路建設(shè)時(shí)，按照磁塊的磁場強(qiáng)度設(shè)置不同的磁塊密度和深度，也可以在敷設(shè)盲人道的水泥磚中預(yù)先敷設(shè)磁塊，然后利用這些水泥塊敷設(shè)盲人道。

通常永強(qiáng)磁磁塊的磁場強(qiáng)度表面高斯在2 000以上，剩磁高斯在1 200以上。由于磁珠價(jià)格很便宜，因此，這款磁性盲道的造價(jià)不高。磁塊的敷設(shè)密度可以根據(jù)需要而定，通常密度設(shè)計(jì)在前后左右各10 cm的間距，深度為2 cm，路面的磁場強(qiáng)度在10 Gs以上為好。磁性盲道的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 探測棒系統(tǒng)

在磁性盲道的基礎(chǔ)上，磁性探測棒的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的，它是盲人出行的主要工具，因此，探測棒的設(shè)計(jì)要求體積小、輕便、耗電省、靈敏度可調(diào)，須支持聲音提示。因此系統(tǒng)由單片機(jī)、霍爾磁性傳感器、放大電路、藍(lán)牙模塊、靈敏度與音量調(diào)節(jié)電路和電源部分組成。

為了實(shí)現(xiàn)輕便、省電和減少外圍電路，采用Silicon Labs公司的C8051F410單片機(jī)。C8051F410的顯著特點(diǎn)除了峰值運(yùn)算速度能達(dá)到100 MIPS之外，片內(nèi)還集成了高精度的ADC和DAC、震蕩電路，而且僅需要很少的片外電路。因此，完全代替了專門的DAC/ADC。Silicon Labs公司為C8051F系列單片機(jī)提供了豐富的開發(fā)工具，這些工具能為用戶提供許多設(shè)置代碼，減少了開發(fā)人員的工作和產(chǎn)生的錯(cuò)誤。這也是C8051F比AVR等其他MPU有優(yōu)勢的地方[1]。探測棒的組成部分如圖2所示。其中MPU的電源部分通過AMS1117?轉(zhuǎn)換為3.3 V，探頭部分采用5 V，SW為靈敏度設(shè)置開關(guān)，R2為蜂鳴器聲音的調(diào)節(jié)開關(guān)；藍(lán)牙串口模塊采用市場常見的串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊。

該系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是磁敏探頭的傳感器選擇和設(shè)計(jì)，除了在盲道建設(shè)時(shí)對磁塊的磁場強(qiáng)度有一定要求之外，探測棒對磁場強(qiáng)度的靈敏度就是系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此，需要選擇靈敏度高、性能穩(wěn)定的磁性傳感器。

該系統(tǒng)選用霍尼韋爾磁阻傳感器HMC1002，它是小型集成電路封裝（SOIC）的雙磁場傳感器，兩只傳感器的敏感方向互相垂直。這里選擇雙軸磁阻傳感器的原因是盲道敷設(shè)時(shí)磁塊的方向不規(guī)則，造成各個(gè)磁塊的N?S極方向不規(guī)則，造成無法檢測磁場強(qiáng)度，降低了檢測靈敏度。傳感器A感應(yīng)與外封裝長邊方向平行的磁場，傳感器B感應(yīng)與外封裝長邊方向垂直且與表面平行的磁場[2]。HMCl002對于±2 Gs（1 Gs=10-4 T）范圍內(nèi)的磁場很敏感，具有靈敏度為3.2 mV/V的線性輸出，分辨力為27 μGs。電路原理圖如圖3所示。

電路中，HMC1002為雙軸磁場傳感器，用于測量x軸方向和y軸方向的磁場強(qiáng)度。HMC1002輸出的兩路電壓信號分別經(jīng)過AMP04（A1和A2）放大后，接到C8051F410的A/D轉(zhuǎn)換接口。

由于磁阻傳感器暴露于干擾磁場中，傳感器元件會分成若干方向隨機(jī)的磁區(qū)域，從而導(dǎo)致靈敏度衰減。環(huán)境中的強(qiáng)磁場（大于5×10-4 T時(shí)）會導(dǎo)致磁傳感器輸出信號變異，為了消除這種影響并使輸出信號達(dá)到最佳，就需要應(yīng)用磁開關(guān)技術(shù)（SR+/SR-）來抵消剩余磁場。HMC1002是借助一個(gè)偏置磁場以補(bǔ)償干擾磁場，即通過集成在芯片內(nèi)部的置位/復(fù)位合金帶對薄膜施加3～4 A，20～50 ns的脈沖電流重新將磁區(qū)域?qū)?zhǔn)，統(tǒng)一到一個(gè)方向上，這樣，可確保高靈敏度和可重復(fù)的讀數(shù)。

為了確保HMC1002的穩(wěn)定和測試精度，C8051F410在讀取HMC1002的數(shù)據(jù)前，先通過IFR7105施加一個(gè)復(fù)位脈沖，然后讀取HMC1002的x和y軸數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲和高靈敏度的磁場測量。

IFR7105是一個(gè)低閾值的FET場效應(yīng)管，在2.7 V時(shí)提供0.3 Ω的低接通電阻。

3 系統(tǒng)程序流程

該系統(tǒng)采用Keil C51平臺開發(fā)，Keil μVision2 C51是目前功能最強(qiáng)大的單片機(jī)C語言集成開發(fā)環(huán)境，適用于多種單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面?？梢酝瓿删庉嫛⒕幾g、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程[3]。Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。

由于C8051F410內(nèi)部采用Crossbar技術(shù)，使用非常靈活方便。因此，在程序的開始，必須對C8051F410進(jìn)行初始化。初始化主要是設(shè)置系統(tǒng)的主頻、串口波特率、A/D端口的選擇等，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主頻為25 MHz，串口參數(shù)為9600，N，8，1，A/D端口x軸為P1.0，y軸為P1.1?？梢圆捎肧ilcon 公司提供的CONFIG工具軟件進(jìn)行配置，然后拷貝配置代碼到程序的初始化子程序中。系統(tǒng)的程序流程如圖4所示。

程序進(jìn)入運(yùn)行時(shí)，每隔1 s讀取一次磁性傳感器數(shù)據(jù)，在讀取數(shù)據(jù)前進(jìn)行一次復(fù)位操作，然后首先讀取x軸的數(shù)據(jù)，如果讀取的數(shù)據(jù)大于規(guī)定的值，則向藍(lán)牙串口模塊發(fā)送一次信息，然后返回到開始位置；如果x軸數(shù)據(jù)小于規(guī)定的值，則讀取y軸的數(shù)據(jù)，如果y軸數(shù)據(jù)大于規(guī)定的值，同時(shí)向藍(lán)牙串口模塊發(fā)送一次信息，也返回開始位置。否則，則啟動一次蜂鳴器。蜂鳴器響表示行走在超出了盲人步道范圍。隨著探測棒的移動，周而復(fù)始上述過程。程序中的中斷服務(wù)程序采用外部終端方式，主要完成靈敏度參數(shù)G的設(shè)置，每按一次開關(guān)S，數(shù)值G增加10，當(dāng)G=100時(shí)，返回到1。這里實(shí)際上調(diào)整的是A/D端檢測到的電壓數(shù)值，電壓值越小，靈敏度越高。另外，系統(tǒng)采用了藍(lán)牙系統(tǒng)與手機(jī)聯(lián)接，發(fā)送到藍(lán)牙的信息內(nèi)容僅是目前行走在正常盲道，利用手機(jī)APP的電子地圖實(shí)現(xiàn)語音提示當(dāng)前的道路名稱位置，由于篇幅問題，有關(guān)手機(jī)APP的設(shè)計(jì)問題將在另文詳解，這里就不多贅述了。

4 結(jié) 論

本文介紹了一種基于磁場感應(yīng)的盲道和探測棒系統(tǒng)，該系統(tǒng)構(gòu)造簡單，成本低，使用方便，能極大地提高盲人出行的便利性。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，電源采用Micro USB接口作為系統(tǒng)的更新和充電，便于系統(tǒng)的升級和維護(hù)。通過實(shí)際測試達(dá)到了很好的效果。

參考文獻(xiàn)

[1] Silicon Laboratories Inc. C8051F410?GDI： tested flash MCU die in wafer form [EB/OL]. [2012?10?12]. https：//www.silabs.com/documents/public/data?sheets/C8051F410?GDI.pdf.

[2] 凡春芳，焦國太.基于磁阻傳感器的磁探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：134?135.

FAN Chunfang， JIAO Guotai. Design of magnetic detection system based on magnetic resistance sensor [J]. Journal of projectiles， rockets， missiles and guidance， 2008， 28（2）： 134?135.

[3] ARM Inc. μVision?IDE [EB/OL]. [2018?04?01]. http：//www2.keil.com/mdk5/uvision/.

[4] 彭英.HMC1022磁阻傳感器在磁記憶檢測中的應(yīng)用[J].石油儀器，2008，22（1）：49?51.

PENG Ying. Application of HMC1022 magnetic sensor in magnetic memory detection [J]. Petroleum instruments， 2008， 22（1）： 49?51.

[5] 裴軼，虞南方，劉奇，等.各向異性磁阻傳感器的原理及其應(yīng)用[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004（8）：26?27.

PEI Yi， YU Nanfang， LIU Qi， et al. Theory and application of anisotropic magneto resistive sensor [J]. Instrument technique and sensor， 2004（8）： 26?27.

[6] 佚名.智能藍(lán)牙技術(shù)原理及設(shè)計(jì)方案集錦[EB/OL]. [2014?12?05].http：//www.elecfans.com/tongxin/rf/20141205360169_a.html.Anon. Collection of intelligent Bluetooth technology principle and design scheme [EB/OL]. [2014?12?05]. http：//www.elecfans.com/tongxin/rf/20141205360169_a.html.

[7] 高玄怡，劉俊，李燕民，等.基于嵌入式結(jié)構(gòu)的便攜式磁記憶檢測儀[J].儀表技術(shù)與傳感器，2005（5）：11?12.

GAO Xuanyi， LIU Jun， LI Yanmin， et al. Portable magnetic memory detecting instrument based on embedded configuration [J]. Instrument technique and sensor， 2005（5）： 11?12.

[8] Anon. Android map SDK [EB/OL]. [2018?03?23]. http：//lbsyun.baidu.com/index.php？title=androidsdk/guide/navigation/walknavi.

[9] Altium Inc. Function introduction of Altium Designer 18 [EB/OL]. [2018?04?15]. http：//www.altium.com.cn/.

[10] 石秀民，魏洪興.嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用：基于XScale與Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

SHI Xiumin， WEI Hongxing. Principle and application of embedded system： based on XScale and Linux [M]. Beijing： Beihang University Press， 2007.

[11] 方彥軍，劉經(jīng)宇，李云鵑.嵌入式系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

FANG Yanjun， LIU Jingyu， LI Yunjuan. The principle and design of embedded system [M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2010.

[12] 陳東方，李順新.C語言程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：中國電力出版社，2012.

CHEN Dongfang， LI Shunxin. The foundation of C language program design [M]. Beijing： China Electric Power Press， 2012.

[13] Stephen G Kochan.C語言程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京：人民郵電出版社，2006.

KOCHAN S G. C language programming [M]. 3rd ed. Beijing： Posts & Telecom Press， 2006.