基于STM32的可穿戴導盲系統(tǒng)設計

黎劍彬 吳中健 林祥輝 黃祖儀 陽韜

摘要：為解決盲人的日常生活出行問題，設計了一個基于STM32單片機的可穿戴式導盲器，系統(tǒng)運用了紅外測距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風等，無線通信選擇藍牙，通過耳機和馬達振動進行提醒，紅外測距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風、百度地圖模塊等，無線通信選擇藍牙，實現(xiàn)對物體的識別，對路況的實時分析探測，并過耳機和馬達振動進行提醒等功能。

關鍵詞：可穿戴;導盲系統(tǒng);無線通信;實時定位

中圖分類號：TP311? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0235-03

Abstract： In order to solve the daily travel problems of the blind， a wearable blind guide based on STM32 microcontroller is designed. The system uses infrared rangefinders， ultrasonic sensors， cameras， gyroscopes， microphones， etc.， wireless communication selects Bluetooth， through Earphone and motor vibration reminder， infrared rangefinder， ultrasonic sensor， camera， gyroscope， microphone， Baidu map module， etc.， wireless communication selects Bluetooth to realize object recognition， real-time analysis and detection of road conditions， and use earphone and motor Vibrate to remind and other functions.

Key words： Wearable; Guide system; Wireless communication; Real-time positioning

據(jù)2019年世衛(wèi)組織發(fā)布的首份《世界視力報告》其中表明全球至少有22億人視力受損或失明，而中國在2016年，視障人數(shù)的數(shù)量已經(jīng)迅速增長到了1731萬人，大約每八十個人就有一名失明人士，我國的盲道設計得不合理、被占用、被破壞等一系列原因，導致視障人士的外出變得更加的困難，因此我們想設計制造一個可穿戴的導盲器，通過紅外傳感器的檢測距離，計算機視覺對物體的檢測，通過單片機、系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)的處理，分析出路面的實際實時狀況，通過語音和振動等方法告知有視力障礙的使用者，最終達到安全順利的出行。

1系統(tǒng)總體設計

可穿戴式導盲器系統(tǒng)是以單片機為主體，單片機使用的是STM32，傳感器包括紅外測距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風等，無線通信選擇藍牙，通過耳機和馬達振動。

進行提醒，并集成GPS百度地圖模塊，進行實時定位，記錄出行信息，通過語音模塊，識別用戶的指令，為其規(guī)劃出行最佳路線，還有陀螺儀進行意外檢測，檢測到摔倒后通過藍牙模塊給手機里的APP發(fā)送警報消息進行聯(lián)系家人，家人可以通過APP得知用戶的實時位置，必要時還可以調用用戶的攝像頭，檢測查看用戶的實時狀況?？傁到y(tǒng)框圖如下（圖1）所示。

2系統(tǒng)軟硬件實現(xiàn)

2.1障礙物測距

障礙物測距使用到ATK-VL53L0X模塊（圖2），在STM32CubeMX上配置好串口，設置串口波特率、發(fā)送接收、中斷使能。調用HAL_Transmit_IT（）函數(shù)收到傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)的時候發(fā)生中斷（HAL_UART_RxCpltCallback（）），判斷障礙物是否過達到危險距離。傳感器可以通過直接調取vl53l0x_api.c提供的API函數(shù)進行使用。

2.2攝像頭

實驗使用OV7725攝像頭（圖3），攝像頭與單片機相應引腳相接，設置OV7725寄存器（一百多個），把寄存器的地址存在一個二維數(shù)組里面，初始化用for循環(huán)調用寄存器函數(shù)，采用QVGA分辨率。

2.3視覺識別障礙物、路況

本圖像識別系統(tǒng)使用了攝像頭、數(shù)據(jù)存儲器、圖像處理器和相關電子電路構成的，網(wǎng)絡采用YOLOV3，可穿戴式導盲器系統(tǒng)具有實時監(jiān)測并進行圖像識別的能力，把識別到的物體結合紅外探測模塊獲得物體的距離等數(shù)據(jù)，送到處理器，進行數(shù)據(jù)的綜合處理，處理后的內(nèi)容，通過語音告訴使用者前方什么位置有什么樣的物體，需要怎么避開等內(nèi)容。采用OV7725攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，采用的是QVGA ，即分辨率為640*480的輸出格式，并用FIFO芯片（AL422B）z暫時存儲圖像數(shù)據(jù)，把視頻分解成一幀一幀的圖片，并進行尺寸的調整，來輸入到YOLOV3的DARKNET53進行特征提取，需進行多次的卷積、殘差、激活，獲得三個不同尺度的中間輸出結果，接著上采樣、拼接或者卷積通道調整進行分類預測和回歸預測等操作，V3為每種尺度設定三種先驗框，一共有九個不同尺寸的先驗框，用于檢測不同尺寸大小的物體，最終獲得三個不同尺度圖片下的預測結果（其中yolov3的預測結果會對先驗框進行調整，獲得最終的預測框，為解碼部分），最終把框畫在圖像的物體上，并進行類別注釋等。（圖4）

2.4麥克風，語音助手語音識別

使用者通過手機內(nèi)置語音助手進行語音命令的輸入，相當于在導盲器上增加一個藍牙耳機，通過藍牙耳機對手機上的語音助手進行對手機的操控，實現(xiàn)導航功能。單片機利用終端，在緊急情況時馬上停止導航，提醒視障人士注意障礙物。

2.5揚聲器、振動模塊進行提醒

當攝像頭和測距模塊共同認定障礙物后，單片機給對應的震動模塊串口高電平，使導盲器震動，并且通過揚聲器播報障礙物距離。STM32利用SPI讀取SD卡里面的音頻，再通過SPI與音頻解碼器通信，最后播報給視障人士。（圖5）

2.6手機APP

手機APP通過手機藍牙連接導盲器，給導盲器提供導航服務，并且實時分享視障人士的位置給到他們的家人，并且記錄下盲人一天為單位的行駛路線，記錄常走路段的常見障礙物，提前提醒。為了方便盲人準確按鍵，在盲人端設計為簡潔的大按鍵，而家屬端設計為地圖可視化的樣式，可以通過聯(lián)網(wǎng)，實時看到盲人所在位置。盲人和家屬共用一個賬號，方便盲人端和家屬端的連接。

盲人使用：在APP制作時加入標準的盲人提示語音支持，在界面設計上減少頁面跳轉次數(shù)，提示語言使用簡潔易懂的語言進行提示。

藍牙連接：獲取藍牙訪問權限，為了方便盲人使用，設置為自動式打開藍牙，搜索周圍藍牙設備，獲取目的設備信息：MAC地址、serviceUUID、charactersticUUID等，連接設備。根據(jù)所選用的通訊協(xié)議，編寫相關進程，實現(xiàn)連接，設置相關監(jiān)聽器等，為數(shù)據(jù)傳輸做鋪墊。

導航：申請KEY，導入相關開發(fā)包，選擇高精度定位模式，支持室外精確服務，是導盲器能正確導航的基礎。利用相關接口把獲取到的經(jīng)緯度信息轉為文字地址，把行駛路線記錄下來，保存至服務器，提供給有權限的賬戶查看。在家屬端放置Map View 控件、MyLocationData（）.bulider類、BaiduMap類等相關方法，當定位到盲人端當前位置時，在OnReceiveLocation（）方法中直接把BDLocation對象傳給navigateTo（）方法，目標所在位置就會顯示在可視化地圖中，直觀、明了。盲人出發(fā)前提設置好目的地，由APP為其進行最佳路線規(guī)劃。

數(shù)據(jù)庫：利用數(shù)據(jù)庫記錄保存盲人行走路線，路線常見障礙物等信息。使用LitePal數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲，記錄下時間、天氣、路況、常見障礙物和常走路線等信息，也把從服務器獲取的數(shù)據(jù)存儲到本地。把相關信息從本地上傳到服務器。

SOS功能：當其遇到突發(fā)狀況時，可通過導盲器觸發(fā)，或者路人幫忙SOS功能，手機發(fā)送消息到服務器，服務器再通知家屬賬號。（圖6）

查找設備：盲人選擇查找設備功能時，給導盲器發(fā)出信號，只要藍牙還在連接狀態(tài)下就能令其發(fā)出聲響，從而引導盲人找到導盲設備。

聯(lián)動提醒：在導盲器發(fā)現(xiàn)異常的時候，通過局域網(wǎng)連接的APP將發(fā)出信號喚醒機器，然后對使用振動、鈴聲等方式增強提醒的效果。

應用發(fā)布：生成正式簽名的APK文件，在應用商店申請開發(fā)者賬號，在上面發(fā)布應用程序。

2.7 web服務器設計

通過購買阿里云、騰訊云等云服務器的服務，實現(xiàn)長期及穩(wěn)定的基礎服務運作。

為了保證能在大部分情況下的可用性，將提供一個前端站點可視化展示可用的操作及數(shù)據(jù)，在站點設計上增加語音提醒功能使盲人可以正常使用站點的大部分功能。提供賬號綁定、緊急聯(lián)系人綁定、設備定位、軌跡圖表等操作。

同時，提供可供編程調用的API接口，使導盲器能夠通過網(wǎng)絡上傳數(shù)據(jù)至服務器，存儲諸如設備當前位置、設備運行狀態(tài)、設備移動軌跡等信息。同時在服務器存儲的導盲器上傳的信息，可以在設備后續(xù)開發(fā)時提供開發(fā)參考，此外通過站點的可視化圖表，將數(shù)據(jù)整理成為人可以識別的信息，提供更多元化的信息展示。

當數(shù)據(jù)通過API接口傳輸?shù)椒掌髦?，?shù)據(jù)經(jīng)由mysql數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行長期穩(wěn)定的存儲嗎，同時在保證個人隱私的前提下，對數(shù)據(jù)進行分析、可視化展示。在使用者或其家屬需要找到設備位置的時候提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

考慮到導盲器不同于普通導航的復雜情況，故需要對導盲器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進一步處理成道路通暢度信息，后期使用程序對地圖的相關道路進行標注，重新優(yōu)化地圖的路線配置，從而建立更優(yōu)質的模型，輸出專屬于盲人的導航路線。

3外觀設計

為了導盲器容易穿戴，方便攜帶并且能達到前后觀測路況，我們把導盲器設計成圍脖形狀。視障人士只需要把設備套在脖子上即可使用（圖7）。設備左方是SOS按鈕，右方是開關按鈕，前方有測距模塊，前后皆有攝像頭（圖8），用于監(jiān)測路況。內(nèi)置振動模塊，揚聲器模塊，用于提醒用戶。

4結語

實驗項目是以STM32為核心，利用紅外測距儀、超聲波傳感器、攝像頭、陀螺儀、麥克風等傳感器，無線通信選擇藍牙，通過耳機和馬達振動，手機APP的集合運用，達到實時采集數(shù)據(jù)，識別障礙物，識別紅綠燈，識別日常使用的物品，使用語音控制指令等進行為盲人專門的導航、路況實時播報，達到為盲人的出行提供更加安全的出行方式和日常居家的物體識別。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】