基于物联网的寻杖与避障智能导盲佩戴系统

浙江师范大学数理与信息工程学院 杨思静 陈本初 肖凡玥 彭保进

设计了一种新型的导盲佩戴装置。采用ARM公司Cortex-M3架构的STM32F103C8T6作为中央处理器，配备红外避障、GPRS短信、nRF24L01无线传输、水位传感、寻杖提示、震动报警六大核心模块搭建该智能导盲佩戴系统的硬件平台。实现了对目标场景的辨别，最终通过盲人颈间佩戴主体部分的震动电机震动提醒盲人避障；利用GPRS发送求救或出行信息至盲人监护人，从而能够有效避免危险的发生；利用nRF24L01无线传输帮助盲人根据蜂鸣器声音来寻找手杖。利用系统副体——导盲杖底部的水位传感器来帮助盲人避水。系统测试结果表明，在盲人胸前上下发散角为21度、左右发散角为12度的范围内，本产品能够精准避障，及时反馈，使盲人拥有“视”的知觉，及时避免潜在危险的发生。设计的产品成本低、重量轻、功能丰富实用，有推广应用价值。

引言

据世界卫生组织统计，截至目前全球约有盲人7800万，其中90%的盲人生活在发展中国家，中国现有盲人数量占据世界盲人总数的18%，多达1400万。除此，我们身边还有很多低视力人群。近年来，视障人群的助行设备也被人们广泛关注。另一方面，目前市场上出现一些导盲产品，如导盲杖、导盲犬等。存在功能单一、价格昂贵且寿命较短等缺点。对于盲人来讲，产品使用的愉悦感要体现在易用性、易学性、高效率和及时性。穿戴式产品成为我们首选目标。

针对上述问题，本文设计了一款基于STM32控制，利用GPRS、nRF24L01无线通信及红外避障等技术的智能导盲佩戴器。本设计着重于解决使用者对前方上下发散角为21度，左右发散角为12度范围内的障碍物，因此本设计的红外探测器的探测范围会随使用者头部变化而变化，且探测距离1m内可调。通过胸前的震动报警模块避障提示，精确到百分位。该系统还兼有避水、寻杖、GPRS短信等多项功能。

1.智能导盲佩戴系统结构总体设计

在便携式产品设计中成功的功能设计需要对人类行为与产品的使用特性作科学地分析，从盲人的生理与心理为目标进行研究，设计出一款便携式导盲器。其中探测部分由红外探测器和水位传感器两个部分组成。前者位于系统的主体部分，将探测到的光信号转换成电信号传输至STM32F103C8T6单片机，经判别比较并通过振动提示避障。后者位于系统的副体——导盲杖底部，将探测到的信号传至STM32F103C8T6单片机，经过AD转换、判断比较并通过手杖的杖头部分振动提示前方地面有积水。

无线传输部分由GPRS模块和nRF24L01模块组成。使用者按下胸前主体部分求助按键，单片机控制GPRS给预先设定好的手机号码发送中文或者英文消息；nRF24L01通信模块分为发送和接受模块，发射模块位于，接收模块位于副体，副体上的核心处理器接收到“寻杖”命令，位于副体的震动马达发出声响使用者根据声音来判断遗忘手杖的距离和方向。

2.智能导盲佩戴系统硬件设计

2.1 红外避障模块设计

发射管一直在发射调制红外光，当前面的障碍物越近，反射回来的红外光越强。通过发射端发射出红外线的光束当前面一定的范围内有障碍物,这时候红外线被反射回来，这个时候接收端通过单片机处理后的状态就变为“1”,单片机控制完成相应的避障策略。

由于红外光在发出时经过调制，该传感器对环境光有一定的抗干扰性。虽然这种方法是探测的是反射光的强度，会受目标物体表面反射率的影响，但是生活中绝大部分物体为灰体，经过系统对黑白灰三种障碍物避障测试，避障精准可靠。

2.2 无线通信传输模块设计

2.2.1 GPRS通信

GPRS通信技术传输速率可达115Kb/s，在4G网络下传输速率将会更高；具备实时在线功能；与GSM网络相比其安全性更高。作品中盲人与家人之间的通信采用GPRS的无线通讯方式。

发送：在接收到盲人特定的指令信息后，用串口函数向A6模块发送串口字符串数据。首先使用多个AT查询指令，检测A6是否已进入正常工作状态；其次，通过"AT+CMGF=手机号码 "，设置短信发送格式为PDU中文格式。接着，设置发送对象的手机号码，最后设置短信内容，设置短信内容并包括结束符。4个步骤完成短信的发送。再进入准备工作状态。

接收：GPRS和STM32连在一起，当盲人按下指令“求助”按键，STM32给其发送消息，GPRS会识别STM32发送来的文本信息，即收到的短信的信息。当短信发送成功时，GPRS模块振动提示。

2.2.2 nRF24L01通信

基于“寻杖”功能的简易型且该芯片具备数据传输速率可为1Mbps—10Mbps。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。工作在发射模式下发射功率为0dBm时，电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。我们选择其作为实现“寻杖”功能的无线通信模块。

nRF24L01通过SPI接口与单片机通信，所有配置字通过SPI接口送给nRF24L01，SPI接口的工作方式通过SPI指令设置。在盲人按下颈间的“寻杖”按键之后，STM32通过SPI接口发送数据给装在盲人手杖上的nRF24L01数据，盲人根据蜂鸣器的响度来判断手杖的方向和距离从而找到手杖。

2.3 振动报警模块设计

虽目前大多数盲人产品设计加入了听觉元素，但触觉也作为感知事物的主要途径，逐渐成为本世纪设计新的探索方向。该导盲器的报警模块有两部分组成，蜂鸣器报警和振动报警。系统采用的是微型手机用扁平式振动马达，工作电压3.3V，成本低、体积小、功耗低，适用于便携式系统中。

2.3.1 主体避障提醒

红外测距模块检测到离障碍物距离进入设定值→单片机检测到它的一个引脚输出跳变→单片机驱动颈间震动电机震动提醒。

2.3.2 副体避水提醒

盲人判断为晴天时，按下位于杖头的开关，位于拐杖底部的水位传感器检测到前方地面有水，杖头的震动马达震动提示使用者避水。

2.4 电源模块设计

与便携式电子产品小型化相适应的新型电池产业获得了前所未有的发展机遇。本文所述系统采用9V碱性电池和自己设计的宽输入高效率转3.3V/5V的DC-DC降压稳压模块构成。5V给STM32单片机和GPRS模块供电；3.3V给nRF24L01通信模块、红外探测器和水位传感器供电。

3.智能导盲佩戴系统软件设计

本项目采用红外避障模块以及STM32单片机作 为主控MCU，辅助以GPRS、nRF24L01通信模块，构成一个完备的避障导盲及外部电路控制的系统。

4.系统测试结果

模拟盲人行走情景搭建的实验装置测试系统避障的可靠性，将获得的数据通过MATLAB分析得到导盲器对黑白灰三色障碍物避障的可靠性和发散角大小。

在避障距离调好为80cm时。随着系统测试次数的增加，实际避障距离保持在82—86cm之间，人的正常反应时间为0.15至0.4s，步行速度为1m/s，使用者避障的时间是足够的。日常生活中常见的物体为灰体，经过测试和数据整理，对于灰体，导盲系统避障的发散角为上下为21度，左右为12度；对于白体，导盲系统避障发散角为上下12度，左右14度。在红外探测器探测到障碍物时，胸前的震动马达震动提醒盲人及时采取避障措施。

5.结束语

随着信息化时代的发展，可穿戴设备在消费者中的渗透率在升高，智能穿戴设备从概念设计走向商用化。而对盲人的关心，使得我们的社会责任感增强，用知识服务社会。本文基于STM32集GPRS短信、nRF24L01无线传输、水位传感、寻杖提示、震动报警六大核心模块设计的智能导盲佩戴系统，实现了对目标场景的辨别，最终通过盲人颈间佩戴主体部分的震动电机震动提醒盲人避障；利用GPRS发送求救或出行信息至盲人监护人，从而能够有效避免危险的发生；利用nRF24L01无线传输帮助盲人根据蜂鸣器声音来寻找手杖。利用系统副体——导盲杖底部的水位传感器来帮助盲人避水。满足了用于携带便利的要求，并且按键少，易于操作。