新一代盲人智能导航系统的设计与实现

苗琳琳 鹿馨云 曹光辉

摘 要：本文以盲人新一代导航系统为背景，通过应用超声波传感器、蜂鸣报警器、语音播报器、光敏传感器等众多传感设备，设计了基于51单片机智能盲人导航系统。该导航系统主要实现对盲人前进路上障碍物进行分段距离提醒以及夜间照明功能。为新一代盲人导航系统的产业化提供一种新思路和新方向。

关键词：51单片机 语音播报器 超声波传感器 光敏传感器

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0003-02

城市化的高速发展在给人们带来便利的同时，也为残疾人，尤其是盲人带来了诸多不利。传统意义上，盲人出行主要依靠单一手杖和盲道的方式将不在适用。与此同时，物联网技术的迅猛发展，使得利用相关传感器设计新一代盲人导航设备成为可能。在此背景下，本文设计与实现了基于51单片机智能盲人导航系统。

1 智能盲人导航系统整体框架

51单片机接收光敏传感器传来的光强信息，当光线强度高于或等于设定阈值时，采用白天导航策略；当光线强度低于设定阈值时，采用夜间导航策略。整体框如图1所示。

1.1 白天导航策略

白天导航策略主要采用接力式预警、报警方案。利用超声波测距模块探测障碍物的位置信息，测量盲人与障碍物之间的距离，当障碍物和盲人距离小于3m时，蜂鸣报警器响起，同时距离越小，蜂鸣器警音越急促；当障碍物和盲人距离小于0.8m时，语音模块发出预警，提示用户及时避让，保护盲人行走时的安全问题。

1.2 夜间导航策略

夜间导航策略是在白天导航策略的基础上增添了夜间照明功能。夜间照明系统实现的思路是，当单片机从光敏传感器中接收到的外界光强低于设定阈值时，单片机驱动继电器，进而点亮LED等，从而为盲人提供存在性保护。

2 硬件系统的实现

导航系统主要包括超声波测距传感器、蜂鸣器、语音播报模块、光敏传感器等。

2.1 超声波测距传感器

测距是盲人导航系统中关键且核心的一步。本系统测距传感器采用US-100超声波测距模块，该模块可实现2～4.5m的非接触测距功能。US-100超声波测距模块具有两种测距方式：电平触发测距，串口触发测距。这里采用电平触发测距实现盲人和障碍物距离的测量。本系统电平测距采用的原理是，通过51单片机p2.3引脚发出高电平信号，触发超声波传感器引脚2。然后，该传感器发出8 个40kHz的超声波脉冲，并检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo管脚输出。Echo端输出一高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间×340m/s）/2。

2.2 蜂鸣器

蜂鸣器是当测距传感器发现特定范围内障碍物时，对盲人进行声音提醒的一种方式。本系统采用Risym 0905有源蜂鸣器模块，高电平触发蜂鸣器报警。该蜂鸣器实现的功能是当障碍物距离盲人在3m和0.8m之间时，蜂鸣器鸣叫。为了告诉盲人，障碍物的远近，蜂鸣器采用不同频率鸣叫。频率越高，或叫声越急促，距离越近。本系统报警声音的急促和舒缓是通过调整相邻两次蜂鸣时间的间隔来实现的。距离越远，间隔时间越长。随着距离的逼近，间隔时间逐渐缩小。这里值得一提的是，蜂鸣器是振荡发声的，如果一直置1或者一直置0，蜂鸣器是不会响的。因此，这里蜂鸣器0，1交替賦值。

2.3 语音播报模块

语音播报是较蜂鸣器报警的进一步人性化体现。当障碍物距离盲人小于0.8m时，语音播报响起。本系统采用QJ008M01语音模块。当接收到由51单片机串口发出的播报指令7E 02 01 EF时，开始播报语音模块内已经放置好的语音文件。语音文件的放置可由USB直接连接电脑，通过电脑传输到语音模块的FLASH即可。考虑到QJ008M01语音模块的高级性，播报内容可任意设置。播报顺序可任意指定。此外，语音播报模块通过与其直接相连的扬声器发声。

2.4 光敏传感器

夜间行走对于一个健康的人来说都是不安全的，对于一个盲人，其危险程度可想而知。为了尽最大努力帮助盲人夜间的行走。本系统基于光敏传感器并结合继电器和LED灯，设计了一个夜间灯光照明系统。首先设定光敏传感器响应阈值，当51单片机检测到光敏传感器传回的光强度低于设定阈值时，单片机驱动继电器打开LED灯，进而实现通过照明系统保护盲人夜间行走。

3 软件系统的设计流程

首先，单片机初始化，包括设定时钟频率、串口配置、定时器中断、光强阈值以及读取光敏传感器返回值的时间间隔等工作，然后进入大循环阶段。大循环阶段包括按照预设时间周期性地检测光敏传感器传来的光强，若获取的光强高于或等于设定阈值，完成白天保护策略，及阶梯式实行蜂鸣器预警以及语音播报；若光强低于设定阈值，启动灯光照明系统以及阶梯报警功能。具体流程如图2所示。

4 结语

本文设计并实现了新一代盲人智能导航系统。该系统基于光敏传感器，实现依据光强采用白天和夜间模式保护盲人行走。系统实际测试效果良好，为新一代盲人导航提供了新的思路和方向。

参考文献

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