基于51單片機的智能視覺播報盲杖研究

姚良懿 吳卓軒 鄭欣哲 宛瑞琪 肖株棟 韓鋒

(廣州應用科技學院 廣東廣州 511370)

截至2022年，我國的視障人士超過1 730萬人，其中完全失明超過800 萬人，我國視障人士數(shù)量位居世界第一[1]，據(jù)相關研究預測，全球盲人總數(shù)將在2050年由3 600萬增加到1.15億人[2]。視障人士的基數(shù)巨大勢必帶來十分嚴峻的局面，視覺障礙不僅切實關乎到患者的生活質(zhì)量，還會加重家庭和社會的負擔。在無法根除視覺殘疾的情況下，如何保障視障人士安全出行，是一大難題。

通過華經(jīng)市場研究中心發(fā)布的《2021—2026 年中國智能拐杖市場全產(chǎn)業(yè)鏈研究及產(chǎn)業(yè)投資可行性評估報告》獲悉，目前較少企業(yè)能夠生產(chǎn)專業(yè)的智能盲杖，導致市場上智能盲杖的功能和質(zhì)量水平不一。就傳統(tǒng)的盲杖而言，視障者僅能使用傳統(tǒng)盲杖敲擊地面從而判斷前進路線[3]，無法全方位識別到潛在的障礙物。致使視障者在單獨出行時經(jīng)常發(fā)生碰撞或者絆倒的情況，同時又因為無法及時報警就醫(yī)導致其未能得到及時的救治，甚至存在死亡的風險。因此，本文針對視障者出行安全的問題，設計了一款具備視覺識別障礙物、語音播報提醒和報時、精準定位以及一鍵報警功能的智能盲杖，為解決視障者出行難的問題提供一定的可行性幫助。

1 設計理念與需求

1.1 設計理念

由于結構較簡單、功能單一的傳統(tǒng)盲杖早已被淘汰[4]，且傳統(tǒng)的普通盲杖已經(jīng)無法滿足當下視障者的日常所需，同時，傳統(tǒng)盲杖未能在視障者遇到緊急情況時提供報警功能，又因導盲犬的培訓成本高昂、培訓期長，存在價格過高和供不應求的問題，因此，本文為解決視礙者的出行安全的問題，設計了一款智能視覺播報盲杖，希望能更好地保障視礙者的出行安全。

1.2 設計創(chuàng)新

本文所設計的智能盲杖除了具備如GPS 位置定位、物體識別等的基本功能以外，還增加了語音播報功能、紅外遙控自主尋找功能的創(chuàng)新設計。語音播報功能不僅實現(xiàn)了對路況進行實時的語音播報，還能準確地向視障者提供實際時間的播報；紅外遙控則可以防止盲杖丟失，為視障者提供一鍵召回盲杖的功能。

1.3 基于視障者需求的作品設計

本文所設計的智能視覺播報盲杖成本較低，制作周期相對較短，使用時間較長，能更好地滿足當下視障者的出行需求。當視障者獨自出行時，智能盲杖能為其提供全方位的語言播報路況的功能，保障其能實現(xiàn)正常出行；就傳統(tǒng)盲杖而言，視障者在外無法及時向家人發(fā)送求救短信，而本文設計的智能盲杖既可以精準地鎖定視障者的所在位置，也可以在緊急情況下及時地向家人發(fā)送求救短信，保障其在外的生命安全。該盲杖的設計初衷不僅是希望能更好地為視障者提供便利服務，也更希望能切實保障視障者的生命安全，在生命安全的基礎上保證出行安全才是智能盲杖設計的重中之重。

2 硬件部分

2.1 AT89C52RC主控芯片

本文設計作品的主控芯片選用了愛特梅爾公司經(jīng)過高密度的非易失性存儲技術所生產(chǎn)的AT89C52RC，該價格低廉，實用性強，貼合實際利用，成功做到了低成本，高效率的使用價值。

2.2 語言播報模塊（SYN6288）

作為系統(tǒng)的輸出接口，考慮到用戶群體中年齡問題，必須選擇這一款兼容性強，且發(fā)音標準的語言播報模塊，因此選擇一款于2010年初由北京宇音天下科技有限公司推出的SYN6288 芯片，其待合成的文本數(shù)據(jù)使用異步串口通信方式接收，與上位機連接后，從而完成文本到語音（或TTS 語音）的轉換[5]；通過GB2312、GBK等多種編碼方式支持任意中文文本的合成?？梢院芎玫挠弥形膶⒏鞣N情況述說出來，語言表述較清晰，有較好的兼容性。

2.3 視覺模塊（K210）

本文設計作品的視覺模塊選用K210 視覺模塊的Maix Bit開發(fā)板，搭載canaan公司堪智科技的智能計算芯片K210，是一款AIOT 開發(fā)板，將模塊與底板結合，并且設計泰普C 接口、接口轉換端子電路以及存儲卡槽。前方物體通過連接攝像頭進行識別，使用SD卡存放識別所需的模型。

2.4 GPS位置定位模塊（VK2828U7G5LF）和GSM通信模塊（SIM800C）

本文設計作品的位置定位模塊選用微科的VK2828U7 G5LF，其具有高靈敏度的GPS天線，性能優(yōu)異，支持熱啟動，采用國際支持NMEA0183協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，可輸出相關經(jīng)緯度位置信息以及時間信息；無線通信模塊選用SIM 公司的SIM800C。通過串口采用TTL 電平控制，是一款四頻的模塊，支持全球使用，能夠提供語音、短信、彩信、藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。通用分組無線業(yè)務是一種分組交換數(shù)據(jù)承載和傳輸方式，由全球移動通信系統(tǒng)基礎上發(fā)展而來，擁有更高的無線網(wǎng)絡信道資源利用率以及更高支持的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，并且在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r可滿足用戶進行語音通話。

2.5 紅外遙控和報時模塊

本文設計作品的無紅外控制模塊由紅外發(fā)射器和紅外接收器組成，通過紅外通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)收發(fā)，且傳輸進程不受無線電的干擾；時鐘芯片是由美國的達拉斯公司推出的DS1302時鐘芯片，能對常用的計時單位進行計時，且具備閏年補償?shù)榷喾N功能。

2.6 基礎驅動模塊

本文設計作品的基礎驅動模塊由超聲波模塊、L298N 模塊、麥克納姆輪以及陀螺儀模塊（MPU6050）模塊組成。

超聲波測距模塊選用由超聲波發(fā)射器、超聲波接收器以及控制電路組成HC-SR04 模塊，探測盲區(qū)為2 cm，最大探測距離為400 cm。超聲波由發(fā)射器發(fā)射遇障礙物折射后被接收器接收，根據(jù)超聲波從射出和折射回來的時間差與超聲波的傳播速度，方可計算得出障礙物和超聲波模塊間距離[6]。選用L298N 作為本次設計的電機驅動模塊，芯片控制端的電平變化由單片機的I/O 輸入控制。擁有電機的驅動及控制電機的正轉和反轉功能[7]，具備很強的驅動能力。

選用麥克納姆輪作為底板移動輪，基于多輪軸位于機輪周圍的中心輪，由該周邊輪將部分機輪轉向力轉化一個機輪法向力上面,實現(xiàn)全方位移動的功能。相較普通的輪子，具有更好的機動性和靈活性。MPU6050 六軸陀螺儀用于測量視障者的行走角度，可在同一時間內(nèi)測量3個不同方向的加速度、角速度。

3 功能設計

本文設計的智能盲杖系統(tǒng)由物體識別和語音播報設計、GPS和GSM通信設計、摔倒報警設計以及紅外遙控自尋找設計組合而成，整體設計流程如圖1所示。

圖1 整體設計流程圖

3.1 物體識別和語音播報設計（包含報時功能）

本文設計的智能盲杖系統(tǒng)通過K210 視覺識別模塊識別前方物體，識別完成后將結果通過串口通信傳入單片機后，將播報的數(shù)據(jù)傳輸給SYN6288 語音模塊進行播報前方識別到的物體。同時，在本文智能盲杖的扶手處，設計按鍵，用戶通過按鍵可以通過SYN6288語音模塊來播報當前時間。

在本文的設計中，需先在MaixHub 云端訓練所需識別的物體的模型，并將訓練完成的信息存儲到SD卡中。將SD卡插入K210模塊的SD卡槽后，K210模塊中會自動使用SD 卡中訓練的模型來進行識別。在開發(fā)環(huán)境MaixPy IDE 中使用Micropython 語言編寫K210 子程序。K210子程序中，通過攝像頭識別前方障礙物的信息后由串口將識別的信息傳入單片機。SY6288 語音模塊子程序中，通過串口接收識別到的物體信息，并將識別到的前方物體信息傳入語音模塊進行播報。報時模塊子程序中，通過不斷掃描按鍵狀態(tài)，判斷按鍵狀態(tài)是否變化，按下時，獲取DS1320 實時時鐘模塊的實時時間并播報。

3.2 GPS和GSM通信設計

當前用戶的地理位置信息通過GPS和串口對GPS模塊發(fā)射的經(jīng)緯度和地理位置信息進行數(shù)據(jù)解碼獲得，獲?。籊SM模塊則通過SIM800C上攜帶的SIM卡上的基站信息實現(xiàn)摔倒短信求救和求助信息的主動發(fā)送。

3.3 摔倒報警設計

本文設計的摔倒報警功能通過MPU6050 陀螺儀模塊檢測盲杖的傾斜角度判斷。通過將陀螺儀模塊放置在盲杖底端獲取盲杖X軸、Y軸以及Z軸的加速度和角速度，然后將獲取到的加速度和角速度值使用四元數(shù)法進行計算，得出盲杖的姿態(tài)角，當俯仰姿態(tài)角超過75°或橫滾姿態(tài)角超過60°時，判斷為傾倒，此時蜂鳴器發(fā)出響聲，并將傾倒信息通過IIC 通信傳送到GPS/GSM模塊中。

3.4 紅外遙控自尋找設計

本文設計的紅外遙控自尋找功能通過紅外模塊、紅外遙控器和蜂鳴器模塊實現(xiàn)，當盲杖遺落時，盲人可按下紅外遙控器使蜂鳴器發(fā)出響聲，由此判斷盲杖遺落的位置。

4 實驗測試

在現(xiàn)實場景中測試本文設計的盲杖的真實性能：（1）測試該盲杖的視覺識別障礙物功能；（2）測試該盲杖的避障功能；（3）測試該盲杖的摔倒報警與一鍵報警功能；（4）測試該盲杖的紅外自尋找功能。

4.1 準備階段

實驗人員選擇兩名能夠獨立行走且具有自主意識的健康視障者，分別為25 歲和65 歲，下文稱為A 試驗人員和B 試驗人員，并且講解該盲杖的功能與使用方法。在封閉路段的不同場景下，測試使用者能否成功使用該盲杖完成獨立出行。

4.2 場地的真實性

場地選取一條封閉道路，并且在道路中每隔5 m放置一個障礙物，分別為水瓶、小狗、汽車、自行車以及終點的水潭。整條道路都配備安全人員，保障試驗人員的安全。

4.3 用戶測試

首先A 試驗人員手握盲杖的手柄部分開始前行，速度為2.1 km/h，前行到水瓶障礙物前50 cm 時，盲杖減速為0.5 km/h并開始語音播報“前方有水瓶，請注意安全”，并在距水瓶15 cm時盲杖開始自主向左緩慢轉彎繞行，成功繞行后，依次成功通過小狗、汽車、自行車等障礙物。運行到終點時，距水潭60 cm 處，盲杖停止前進并且開始語音播報“前方有水潭，請停止前行”。

然后盲杖停止前行后，由安全員將測試道路上的障礙物清空，并且調(diào)轉盲杖的方向，緩慢由A試驗人員前行回起點，該過程盲杖在無障礙物的道路上前進穩(wěn)定，速度為2.1 km/h。

接著在起點進行一鍵報警功能以及摔倒報警功能測試，A 試驗人員，通過使用手柄前端的按鍵，進行一鍵報警，5 s 后家人手機成功接收到求救短信“摔倒報警 經(jīng)度113.74207 緯度23.23222”。

隨后將盲杖推倒，使盲杖發(fā)送摔倒報警短信給家人，5 s 后家人手機成功接受到求救短信“求救報警經(jīng)度113.74207緯度23.23222”。

最后由安全人員將盲杖扶起后，A 試驗人員手握盲杖的手柄部分，開始測試盲杖的報時功能與紅外自尋找功能，通過A試驗人員按下手柄左側按鍵，盲杖進行報時“北京時間下午兩點二十分”，結束報時后，由安全人員將盲杖放置距A試驗人員5 m處，由A試驗人員紅外遙控器的按鈕，盲杖開始發(fā)出嗡嗡聲，隨后A試驗人員成功判斷盲杖的方向。試驗結束，成功完成試驗。

B試驗人員同樣進行該試驗，盲杖同樣穩(wěn)定運行。

5 智能盲杖的現(xiàn)實應用

隨著互聯(lián)網(wǎng)的逐漸普及，數(shù)字化社會成為常態(tài)，傳統(tǒng)的盲杖難以為視障者提供全方位的幫助；而且盲道的建設城市化高速發(fā)展的過程中，也存在不符合標準、被破壞、被占用等的諸多問題，導致視障者在單獨外出時更加難以分辨路況從而活動受到限制。因此，智能盲杖的功能設計不僅要保障視障者的出行安全，更需要保障其生命安全。

5.1 識別路障保障出行安全

我國存在盲道被占用率高、建設不合理且路況復雜多變等交通環(huán)境問題，導致視障者在出行時，伴隨著諸多安全隱患，甚至威脅生命財產(chǎn)安全。本文設計的智能盲杖，具備視覺識別障礙物的技術，在視障者出行過程中，能夠提前識別前方的障礙物，并及時進行語音播報，達到智能提示安全避障的效果；同時盲杖能實現(xiàn)自動拐彎、避讓障礙物的功能，能有效降低視障者因障礙物而摔倒或碰撞的風險，保障視障者的出行安全是智能盲杖功能設計的第一要義。

5.2 報警系統(tǒng)預防安全隱患

在視障者出行的過程中，由于視力受限而存在許多不定性的安全隱患，可能會導致其陷入危險之中，視障者極有可能難以自行使用智能手機報警從而導致不能得到及時的救治。這種情況在我國時有發(fā)生且數(shù)量相對較多，因此，本文設計的智能盲杖考慮到視障者自身的生命安全，設置了一鍵報警的功能，可以通過按下按鍵發(fā)送包含位置信息的求救短信給第一聯(lián)系人，并提醒其報警，從而保障視障者的生命安全。

6 結語

基于本文設計的智能視覺播報盲杖進行一系列的實際測試，實際測試結果與盲杖的功能設計高度吻合。在復雜的外界環(huán)境下，能全方位識別前方障礙物的同時實現(xiàn)語音播報前方障礙物的功能；并且還具備了報時功能和一鍵快速定位報警功能，及時為家人提供準確的位置求助信息，使視障者在出行過程中能得到安全的保障和便利的服務。因此，智能盲杖的設計較符合新時代視障者的生活需求，且具備較強的穩(wěn)定性和可使用性，能為視障者提供更好、更全面的安全保障。