基于智能傳感交互的障礙探測盲杖設計與實現

張贏 郭晗 許夢余 王圓 陳雪玲

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2021.09.012

摘? 要：現如今，盲人出行這一問題的國民關注度日益提高，文章對如何幫助盲人群體解決出行障礙的難題進行研究。借助基礎導盲杖結合超聲波傳感器和紅外線傳感設備的一款便攜實用的智能探測器，精準地為盲人指導路線，在核心技術芯片上錄入人文數據庫，增加紅外線掃描識別系統(tǒng)及導航系統(tǒng)，智能規(guī)劃路線，連接藍牙設備將信息傳遞給使用者，從而更大程度上保證盲人群體的出行安全，使其獲得良好的生活體驗。

關鍵詞：視障人群;智能交互;紅外線掃描識別系統(tǒng);智能探測器

中圖分類號：TP212? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）09-0042-04

Design and Implentmentation of Obstacle Detection Blind Stick Based on?Intelligent Sensing Interaction

ZHANG Ying，GUO Han，XU Mengyu，WANG Yuan，CHEN Xueling

（Qingdao Huanghai University，Qingdao? 266427，China）

Abstract：Nowadays，the problem of blind people's travel has attracted increasing national attention. This paper studies the difficult problem that how to help blind group to solve the travel obstacle. A portable and practical intelligent detector based on the basic blind guide stick and combined with ultrasonic sensor and infrared sensing equipment is used to accurately guide route for the blind，input the humanistic database on the core technology chip，add the infrared scanning recognition system and navigation system，intelligently plan the route，transmit the information to the user by connecting bluetooth device，so as to ensure the travel safety of the blind group to a greater extent，and make them get a good life experience.

Keywords：vision-impaired people;intelligent interaction;infrared scanning recognition system;intelligent detector

0? 引? 言

盲人是我們生活中的一個特殊群體，國家權威部門統(tǒng)計，中國是世界盲人最多的國家，約有500萬，占世界盲人口的18%，不僅如此，生活中我們身邊還有很多低視力人群。有關數據顯示，目前世界的低視力人群總數大約為1.5億人，是世界盲人數目的3倍。而在我國，有視力殘疾問題的人群約為1 300萬人，在這1 300萬人中有500萬是盲人。社會對這一群體的關注度逐步提高。如何幫助盲人群體解決出行障礙問題，是目前我們迫切需要解決的。

由智能探測設備組裝的智能導盲杖具有GPS定位（用于連接導航系統(tǒng)以及保障盲人出行的安全性）、紅外線識別功能、HC-SR04超聲波模塊、藍牙耳返以及緊急報警等一系列組件。障礙識別的實現，主要通過超聲波傳感器和紅外線等設備，感應手杖和物體之間的距離，在安全距離（4米）之內就開始發(fā)出類似于“前方有障礙物，請小心繞道而行”的語音提示，實現視障人群亦能像普通人一樣自由出行的設想。使用者可以在系統(tǒng)內設立親屬關系，允許親屬實時獲取使用者的定位，并可以查看使用者的出行記錄，保障他們的出行安全。現階段，我們的所有設想研發(fā)的技術已具備相關的原理支持，并且設計出了外觀圖和局部框架圖。本款產品以保障使用者出行安全為主，以“危險預警”為輔，主打其方便實用的特性，降低使用煩瑣度，提高用戶體驗感。

1? 設備與技術

1.1? 設備

在障礙探測器的基礎上打造成導盲杖，其材料主要是碳纖維，該材質輕薄且性能較好，適合盲人出行攜帶使用。該盲杖可搭配藍牙耳機使用，在盲杖內部裝有微型攝像頭、紅外線測距模塊、超聲波傳感器、連接導航系統(tǒng)，以及并非我們研究的定位芯片、數據庫芯片、藍牙芯片、ISD142語言報警系統(tǒng)、微電腦模塊等搭建而成，通過模擬仿真理論上能達到預期功能效果。其主要結構如圖1所示。

1.1.1? 可環(huán)視攝像頭

可90°立體翻轉的微型攝像頭，主要的功能有掃描與測距，在障礙探測的基礎上，可實現路況檢測，實時抓拍發(fā)送給家人。

1.1.2? 開關設置

防觸碰開關，長按三秒開啟或關閉，并外放語音播報提醒使用者，設備開啟后開始自動探測前方障礙物。

1.1.3? 主要控制臺

有兩個功能按鍵，以下功能都是輔助功能，市面上已有相關成熟技術，研究時間有限并未深入研究。一個是菜單鍵，主要可切換撥打電話、拍攝發(fā)送圖片、導航（僅限于數據庫錄入的相關地點），另一個是選擇對象，先選擇功能再選擇相應存放在數據庫里的對象。

1.1.4? 揚聲器

揚聲器的主要功能為在檢測到障礙物時發(fā)出報警、開關提示音以及在遇到危險時發(fā)出大于90分貝的求救信號。內部框架主要有數據庫芯片、藍牙芯片、CPU芯片、緊急呼救。內部結構簡圖如圖2所示，主要有四個相關芯片，技術均已成熟。

1.1.5? 數據庫芯片

主要建立一個記憶型數據庫，通過對使用者多次出行路線的路徑以及路況進行記憶，以便智能的計算出下一次到達該目的地的最便捷、最安全的方式。該數據庫采用分布式多媒體數據庫，該系統(tǒng)設計分為三部分，首先在B/S三層邏輯架構模式的基礎上設計系統(tǒng)框架，然后進行系統(tǒng)硬件設計，包括集成芯片、傳輸設備和儲存設備，最后設計系統(tǒng)硬件運行邏輯，即系統(tǒng)軟件^[1]。我們采用該系統(tǒng)軟件根據智能導盲杖數據庫的需求進行改造。

1.1.6? 芯片簡介

芯片搭載的處理器，是整個拐杖設計的處理中心，能夠及時地處理和反饋感應裝置所感應到的一切信息并進行反饋。

藍牙芯片，用于連接耳返;CPU芯片，選用STC89C516單片機，可實現GPS定位功能，以及微電腦模型可以對拐杖的基本功能進行編譯。

緊急呼救系統(tǒng)是基于Android系統(tǒng)的緊急呼叫改編的。

藍牙耳返：藍牙設備主要與智能導盲杖設備搭配使用。通過芯片控制以及藍牙傳輸裝置能夠使使用者及時的接收到盲杖所反饋的各種信息，并能夠及時地做出相應的預判，一般的有線藍牙耳機即可實現。

1.2? 技術

我們團隊綜合了目前較為先進的萬物互聯(lián)以及嵌入式技術，提出了一套較為完整的智能導盲杖控制系統(tǒng)設計方案。智能導盲杖控制系統(tǒng)的核心技術是障礙物的檢測，通過立體可旋轉攝像頭以及紅外線傳感系統(tǒng)對來自周圍的各種障礙物進行檢測以及測距，再將感知到的數據傳給數據處理芯片，通過CPU芯片的處理以及數據分析判斷后再通過藍牙設備向使用者發(fā)出語音播報提示，以此來引導使用者對障礙物進行躲避。在此基礎之上，我們還添加了GPS定位系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，用來應對使用者發(fā)生的意外事故，以此來進行緊急求助。

同時視障人群在智能導盲杖使用的大多數的場景中都能夠迅速準確地感知周圍“危險”環(huán)境，并能夠做到獨立、安全的出行。調查與分析當前視障人群的生活狀況，給智能導盲手杖提供了關鍵數據，為視障人群生活及出行等重要需求提供幫助。本團隊研發(fā)的智能導盲杖系統(tǒng)整體設計框圖如圖3所示。

本款智能導盲杖系統(tǒng)選用的是STC89C516來作為核心控制器，嵌入式微控制器STC89C516單片機采用的是完全兼容傳統(tǒng)8051單片機的指令代碼，內部集成主要有MAX810專用復位電路，還有多個定時器和外部中斷端口。STC89C516單片機通過系統(tǒng)可編程的特性可以連接PC端控制程序進行功能編程并導入控制程序。Keil uVision4軟件來編寫導入智能導盲杖的控制程序、從而使軟件可以進行程序的編寫﹑編譯和修改，能夠通過數據線連接單片機和PC端來實時監(jiān)控程序的運行情況^[2]。智能的單片機使智能導盲杖能更快地做出處理，保障盲人的安全。

超聲波傳感器是超聲波探測器中的關鍵器件，所以我們選用超聲波傳感器來作為智能導盲杖的障礙探測器的主要部件，利用它們可以實現電能與聲能的能量轉換特質。我們主要是采用HC-SR04超聲波模塊，具體電路圖如圖4所示。

但其中，超聲波測距性價比高，信息處理簡單，但超聲波傳感因存在測量盲區(qū)問題，測距范圍一般在20～300 cm之間，方向定位精度比價差，同時波束發(fā)散嚴重，但紅外傳感具有定向精度高，光束發(fā)散小，響應速度迅速的優(yōu)點。本系統(tǒng)結合紅外傳感有效消除超聲傳感0～20 cm檢測盲區(qū)，高效地實現了信號的測量和采集，完成距離精確檢測^[3]。

超聲波避障能夠有效地識別前方腿部以上不固定地面的障礙物，GPS導航幫助盲人識別路線，使其安全回家，考慮到盲人外出受到不定向因素影響而發(fā)生意外，我們也采用智能語音播報和緊急警報提高了盲人外出的安全性^[4]。

2? 擬解決的關鍵問題

由于考慮到我們所研發(fā)的產品所針對的用戶為視障群體，所以安全問題就是我們必須慎重考慮的一個環(huán)節(jié)。如何保障使用者們的行走安全是一個關鍵問題，對于靜態(tài)的物體我們比較容易解決，可以及時的識別并發(fā)出相應的告警。但是在實際出行的過程當中，往往大多數都是動態(tài)的物體，那么對于動態(tài)的物體，例如急速行駛的汽車、實時變化的紅綠燈等等，如何去識別這些動態(tài)的“危險”便是我們需要著重解決的地方;其次是使用的便捷性，智能導盲手杖不能設置太多按鍵，整體的設計要以方便實用為主，方便視障人群使用。

2.1? 安全問題

通過超聲波、紅外線傳感設備對障礙物進行感應，在即將接近障礙物時，通過藍牙設備語音播報提醒使用者：“前方有障礙物，請繞道而行”。

2.2? 緊急求助系統(tǒng)

我們可以將其緊急聯(lián)系人的聯(lián)系方式提前存儲在記憶芯片中，如發(fā)生緊急情況，觸發(fā)緊急按鈕聯(lián)系監(jiān)護人，保障出行者的安全。該系統(tǒng)是基于java語言開發(fā)的，主要部分代碼為：

……

try {

ActivityManagerNative.getDefault（）.stopLock TaskMode（）;

} catch （RemoteException e） {

Slog.w（LOG_TAG， "Failed to stop app pinning"）;

}

if （isInCall（）） {

resumeCall（）;

if （mEmergencyButtonCallback ！= null） {

mEmergencyButtonCallback.onEmergencyButtonClickedWhenInCall（）;

}

……

2.3? 誤觸自檢功能

我們設備的求助系統(tǒng)搭載了防誤觸功能，防止使用者在使用過程中因為輕微的觸碰，啟動求助系統(tǒng)進行求助，造成不必要的擔心。

2.4? 長時間耐用性

很多視障人群擔心設備的使用壽命問題，所以我們所設計的智能導盲手杖使用聚烯烴材料，這種材料具有一定的抗摔性，有效地提高手杖的使用壽命。同時該設備的電池有使用壽命長，體積小，容量大的特性，同時還應具備提示充電或者提示更換電池功能，方便其親屬可以提前解決。

2.5? GPS實時定位追蹤系統(tǒng)

設備還搭載了GPS實時定位追蹤系統(tǒng)。緊急聯(lián)系人可以通過手機設備，實施查看使用者的位置，如遇緊急情況，也能夠及時趕到，避免危險^[5]。

3? 結? 論

本文得出主要結論有：

（1）我們所設計的盲人障礙探測器目前處于理論開發(fā)階段只是創(chuàng)新理論，暫時還沒有成品可以進行更加清晰的功能展示。

（2）文中的盲人智能探測器主要實現了探測障礙裝置，可環(huán)視拍攝、開關（包括防誤觸）設置、揚聲器等一系列的功能幫助使用者避免危險，核心技術是選用超聲波HC-SR04型號的傳感器結合紅外線技術提高探測能力，并通過音頻（藍牙、揚聲器）進行輸出。

（3）我們綜合了目前國內外已有的盲人智能出行工具對我們產品的發(fā)展前景進行預估，在未來我們將持續(xù)推進該產品的多功能開發(fā)和難點的技術攻關，例如識別路口、檢測紅綠燈等功能，找到相關企業(yè)對創(chuàng)業(yè)理論進行產品化。

參考文獻：

[1] 袁煜，韋忠慶.基于人工智能的分布式多媒體數據庫資源整合系統(tǒng)設計 [J].現代電子技術，2021，44（5）：166-170.

[2] 丘強，鐘守炎，馬浩鵬，等.基于STC89C516單片機的多功能導盲杖的設計 [J].機械研究與運用，2019，32（6）：92-95.

[3] 溫欣玲，馬明林.基于多傳感測距控制系統(tǒng)研究與設計 [J].微計算機信息，2008，24（16）：152-153+184.

[4] 孟辛，李雪莉.基于超聲波傳感器和GPS的多功能導盲杖設計 [J].電子世界，2020（24）：25-26.

[5] 吳雪，王華力，唐玲.多方向紅外測距智能導盲求救手環(huán) [J].電子技術，2020（3）：95.

作者簡介：張贏（2001.03—），女，漢族，福建建甌人，本科在讀，研究方向：大數據技術。

收稿日期：2021-03-18

基金項目：校級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（X202013320100）