基于STM32的智能盲人斑马线系统设计与实现

吴小平，李小云，黎思丹

（浙江理工大学 理学院，杭州310018）

2014年残疾人统计数据显示，我国有500 万盲人和数以千万计的视力残疾人，且随着人口总数和老龄人口数量的增加，视障人群数量增加趋势愈演愈烈[1-3]。盲人作为社会的弱势群体，常因为无法及时获取有效的交通信息，导致这些被称为“黑暗中的行者” 的盲人每次出行都是一次生与死的博弈。在科技与经济飞速发展的今天，我们应该重视并关爱这一弱势群体。2010年，苏州聋盲学校方红校长提交的《关于在十梓街的市盲聋学校道口设置斑马线》的建议在全国“两会”上被列为第148 号议案，引起了各级政府的高度重视。“两会”结束后，苏州盲聋哑学校附近出现了一条国内首例 “盲人斑马线”。但这类盲道式斑马线，在车辆驶过时，轮胎与突起部分碰撞容易发出噪音，直接影响周围居民的生活，最终该盲人斑马线仅存半个月就被拆除。目前，国内外针对于盲人出行辅助工具的研究，其中电子辅助设备、可穿戴式设备[4-13]以及导盲系统的设计研究[14-18]为研究重点，而智能盲人斑马线的研究还比较少。因此，设计一款既能保障盲人安全过马路，又能解决噪音扰民问题的智能盲人斑马线是非常有必要的。

本文提出了一种基于STM32 的智能盲人斑马线系统，系统以STM32 微控制器为主控器，通过控制语音播报模块用于提示过马路的行人，提高行人过马路的效率。通过人体感应和称重传感器检测在信号灯为红灯时斑马线上的行人情况，同时控制智能斑马线凸起方块升降，减少过往车辆与斑马线碰撞发出的噪音。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件总体设计

系统硬件总体设计如图1 所示，系统硬件主要需要实现以下三方面功能：①在信号灯变成绿灯前3 s，指令斑马线转成盲道模式，待信号灯变成绿灯时，通过语音播报来提示过马路的行人（尤其是盲人和低视力者），其音量大小可以通过分贝监测模块监测到的环境噪音大小来加以调整，从而提高行人过马路的效率；②通过人体感应模块和称重传感器来检测斑马线上行人数量（尤其是在信号灯快要变成红灯时的人数），结合语音播报模块，实现在信号灯变成红灯时，斑马线上已无行人；③通过称重传感器，结合人体感应模块来精准地判断信号灯变成红灯时，斑马线上的行人情况，当斑马线上已无行人时，主控模块控制旋转式盲人斑马线降下，车辆通行；当斑马线上仍有行人时，主控模块控制交通信号灯，延长黄灯时间5～10 s，待行人通过后，控制旋转式盲人斑马线降下，车辆通行，减少过往车辆与斑马线摩擦发出的噪音。

图1 系统硬件总体设计Fig.1 Overall hardware design of the system

1.2 主控模块

选用正点原子最新的阿波罗STM32F767 微控制器作为主控芯片，此版开发板支持百兆网卡、双RS232 串口、音视频播放等多项功能，再加上最新的F767 芯片，远远满足本智能盲人斑马线系统的需求，还为后期的改进与提高及传感器的添加，提供了足够的平台条件。阿波罗STM32F767 开发板（如图2）是一款基于Cortex-M3 内核的微控器，该控制器在性能和成本及实时控制方面设定了新的标准。Cortex 系列是一个完整的处理器核心，一个标准的CPU 和系统架构。Cortex 系列具有3 个主要的配置系列：高端应用系列，实时应用系列，成本敏感和微控器应用系列，采用高性能32 位RISC 内核，工作频率高。该内核具有单浮点单元精度，支持所有的ARM 单精度数据处理指令和数据类型，还能实现完整的DSP 指令集和增强应用安全性的存储器保护单元。该开发板具有完备的软件开发环境，编译程序只要烧录到开发板上即可使用。

图2 阿波罗STM32F767 开发板Fig.2 Apollo STM32F767 development board

1.3 语音播报模块

语音播报模块选用WT588D-U，如图3 所示。WT588D-U 是深圳唯创知音电子有限公司研发的一款工业级语音模块。按键控制模式触发方式灵活，可随意设置任意按键为触发方式。串口控制模式（1线和3 线）可通过MCU 发码端控制语音播报及音量大小。采用语音芯片WT588D-20SS 当作主控芯片；内嵌人声语音处理器及PWM 音频处理，使语音表现更为自然悦耳，确保高品质语音输出；PWM 输出可直接推动扬声器，推挽电流充沛；支持按键及串口（1 线和3 线）控制模式；最多可加载数百段语音；配套上相应软件（如WT588D VoiceChip），能极大程度地拓展WT588D-U 语音播报模块的各项功能，该语言播报模块的工作电压为DC 2.8 V～5.5 V；休眠时电流小于10 μA；具有很强的抗干扰性，符合工业应用的要求，适用于各种复杂环境场所，应用范围广。

图3 WT588D-U 语音播报模块Fig.3 WT588D-U voice broadcast module

1.4 人体感应模块

人体感应模块采用双元（A、B 元） 探头的HCSR505 模块（如图4 所示），探头的窗口为方形，双元探头位于较长方向的两端，该模块为全自动感应：当有人进入其感应范围则输入高电平，人离开感应范围则输出低电平。当人体从左到右或从右到左走过时，红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。该模块分为两种触发方式：不可重复和可重复触发方式，可跳线选择，默认为可重复触发方式。为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜（菲涅尔光学透镜，距离越远，感应越强，角度越大），也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围广、灵敏度高。

图4 HC-SR505 人体感应模块Fig.4 HC-SR505 body sensing module

1.5 称重传感器模块

称重传感器选用的是柯力SQB1t-5t 型称重传感器（如图5 所示），其与相应的仪器配套，可广泛用于各种电子衡器和自动称重系统。此外，还可以选用不同形式的配套仪器，以满足不同的应用要求。该称重传感器精度高、寿命长、可靠性好、体积小巧、安装使用方便、各项性能稳定，具有良好的防尘、防潮、防损等优点，可在各种复杂环境下正常工作，该传感器额定负载荷为1～5 t。

图5 柯力称重传感器Fig.5 Cori weighing sensor

传感器弹性体采用优质专用金属材料，在应变敏感区域粘贴上R1、R2、R3及R4四个应变计，组成惠斯通电桥，当受外力作用时，弹性体变形，引起应变计R1、R3受拉伸，从而电阻值变大；R2、R4受压缩，电阻值变小，使惠斯通电桥失去平衡，输出与外力成正比的电压信号。测量电桥由于具有高灵敏度、宽测量范围、简单的电路结构、高精度等优点，因此能够较好地满足应变测量要求。柯力称重传感器具有结构特殊的弹性体，使其抗弯抗扭强度高，从而提高传感器的自振频率和抗倒、抗干扰特性，传感器安装连接方便、简单、可靠。

2 系统软件与装置设计

整个主控制程序设计思路流程如图6 所示。为了能更好地符合实际斑马线路口的情况，在程序上也包括了交通灯，这在单片微控制器中利用计数器很容易实现。在本程序中，总设置为约30 s 一个循环的交通灯系统。其中红绿灯时间分别为10 s，每次黄灯时间为5 s。首先，对STM32F767 的串口、定时器及各个模块进行初始化。然后通过获取信号灯的信息给出下一步指令，当信号灯在变成红灯前5 s，就指令语音播报提醒行人绿灯马上结束，请快速通行；当信号灯变成了红灯时，指令人体感应和称重传感器检测斑马线上是否仍有行人，若斑马线上仍有行人，则延长黄灯时间5～10 s，并实时监测斑马线上行人情况，若斑马线上没有行人，则指令斑马线转成非盲道模式，并提醒行人禁止通行。在信号灯变成绿灯前3 s，指令斑马线转成盲道模式，待信号灯变成绿灯时，通过语音播报提醒行人可以通行。完成一个流程后，回到获取信号灯的信息步骤，并重复以上步骤给出下一步指令。

图6 主控制程序流程Fig.6 Main control program flow chart

3 功能实现分析

该智能盲人斑马线的设计特点：①旋转升降的实现简单方便，该结构以圆柱体为基础进行设计，升降的实现只需要旋转90°角即可，几乎不需要额外的电机传动方向的转换部件就能实现；②载重能力仅与旋转部件的材质有关，也是得益于圆柱体的结构基础，使得该部件无论是哪个切面朝上，底部都是圆弧状的，那么只要壳体本身能匹配上该圆弧的形状，当旋转部件受力朝下的时候，旋转部件便与壳体自然贴合，载重的部位也转移至贴合位置，因而载重能力也与中心轴的粗细无关。

智能斑马线的实物图如图7 所示，其核心部件为旋转部件，以圆柱体的形状为基础，圆柱体的侧面设置两个切面，其中一个切面与壳体表面相平，另一个切面到圆柱体轴心的距离大于与壳体表面相平的切面到圆柱体轴心的距离，具体设置为高于壳体表面5 mm 的高度，此为盲道的高度标准，具体的表现如图8 所示。我们对智能斑马线实际模型进行了测试，该实验室模型能够准确地按照整个主控制程序设计思路的流程进行运行，图9 为智能斑马线升起和降下的侧视图。

图7 智能盲人斑马线装置实物图Fig.7 Physical picture of intelligent blind Zebra crossing device

图8 智能斑马线旋转部件设计图（左图为降下状态，右图为升起状态）Fig.8 Design drawing of rotating parts of intelligent Zebra crossing（the left figure is the descending state and the right figure is the rising state）

图9 智能斑马线升起和降下的侧视图Fig.9 Side view of raising and lowering of intelligent Zebra crossing

该产品在实验室已完成全部的研发，能够正常运行，并通过了科技查新，并未有重复的。本产品已申请相关专利，其中2 项实用新型专利已获得授权[18-19]，其他专利状态为实审中，以上成果充分说明了本产品具有高的可行性。

4 结语

本文以STM3232F767 微控制器作为主控芯片，基于语音播报、人体感应、称重传感器等检测技术，设计了一款能够安全指引盲人通行的旋转式升降盲人斑马线系统。该系统凸起方块的智能升降，使之能够在盲人过马路时帮助盲人快速安全通行，而在汽车通行时避免发出扰民的噪音，从而使其他市民更容易接受。此外，传感器的设置使之能够智能监测盲人所处的位置，适当延长黄灯时间，同时提醒盲人加快通行速度。从理论上而言，该结构具有较好的传动性能和载重能力，但是全部设计过程仍处于实验室环境下进行，并没有得到实际应用下的验证与改进。但是相比于前人的研究重点，该研究方向直接从实际需求入手尝试解决，相信为解决盲人过斑马线问题提供了一个较新的思路与方向。