手持式导盲终端的设计

舒平凡 张婧婧 张国伟 陈细水 钟海浪

摘要：基于Arduino开发平台，以盲人出行安全为设计目标，展开超声波探路、红外避障、GPS定位等导盲系统的终端设计与测试。通过超声波测距，检测道路前方0.1～5m内是否适于直行;采用红外探测，确认盲人左右2～40cm是否有障碍或行人;选择GPS模块解决盲人出行中的定位问题;通过蜂鸣器为盲人行走时不在安全距离提供预警。设计以高精度、低成本的方案，为手持式导盲终端提供技术参考。

关键词：导盲终端;Arduino;超声波传感器;红外传感器;GPS

中图分类号：TP242. 6+2     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）26-0143-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

The Design of a Handheld Guide Terminal

SHU Ping-fan， ZHANG Jing-jing， ZHANG Guo-wei， CHEN Xi-shui， ZHONG Hai-lang

（College of Computer and Information Engineering Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： Based on Arduino development platform， with the blind travel safety as the design goal， the terminal design which include with test of ultrasonic road detection， infrared obstacle avoidance， GPS positioning are carried out. Through ultrasonic ranging， it can detect whether the road is suitable for straight travel within 0.1 ～ 5m in front of the blind ; infrared detection is used to confirm whether there are obstacles or pedestrians with in 2 ～ 40cm to the left and right of the blind; GPS module is selected to solve the positioning problem of the blind in travel; buzzer provides early warning for the blind when they are not at a safe distance.The design is based on high precision and low cost， which can provide technical reference for the handheld guide terminal.

Key words： guide terminal; arduino; ultrasonic sensor; infrared sensor; GPS

目前，利用現代科技辅助盲人出行的导盲系统发展迅速，主流的导盲系统包括智能导盲杖、穿戴式导盲设备、手持式导盲设备、基于智能终端的导盲系统、移动式导盲机器人等[1，2]。不同导盲设备一般包括障碍物检测等、GPS定位、危险预警、语音信息提示等功能[3]，其中GPS定位、超声波测距、红外线检测以其精度高、速度快、成本低等优势广泛用于手持式导盲系统之中[4～8]。文中设计的导盲系统即采用GPS模块、超声波测距模块、红外检测模块、声音预警模块、液晶显示模块等实现了手持式导盲设备的基本功能，并以低成本、高精度的优势为相关产品设计提供借鉴与参考。

1 整体设计

为了实现探路、避行人、定位等基本功能，本设计以Arduino UNO为主控板[9]，分别采用超声波测距完成前方探路，并能做出声音预警;通过红外传感器实现左右两侧近距离检测障碍物或路人，避免碰撞;通过GPS进行导航定位等，其系统框架如图1所示。

2 硬件设计及功能简介

2.1 硬件设计

基于手持式导盲终端的功能需求，系统的硬件连接如图2所示。其中前方的超声波测距、左右两侧的红外探测、GPS定位属于系统的输入端;液晶显示、蜂鸣器报警则是系统的输出装置。主控器Arduino UNO的2～13号数字引脚均用于I/O数据传送，此外GPS模块通过串口传输数据，即系统基本功能集成在一块处理器上实现，降低了终端设备的成本。

系统选用的功能模块与Arduino的引脚连接如表1所示：

2.2 功能简介

1）HC-SR04超声波传感器

HC-SR04超声波传感器模块中包括VCC、trig、echo和GND四个引脚。trig引脚与主控器Arduino的8脚相连，echo引脚连接到Arduino的9脚。该模块利用超声波的测距原理探测前方0.1～5米的道路中是否适于盲人直行。

2）红外传感器检测左右行人

红外避障传感器对环境光线适应性较强，通过红外线发射与接收，将采集的红外信号从Arduino的6脚及7脚送入，经过比较器处理之后，将信号输出到Arduino的10脚及13脚，即可检测盲人左右两侧近距离范围内是否会遇到其他行人或障碍物。

3）GPS定位

ATGM336H-GPS模块包括VCC、RX、TX、GND四个引脚，其中RX连接Arduino的14脚，TX连接Arduino的15脚。该模块同时可以接收六个卫星导航系统的GNSS信号，具备高灵敏度、低成本的优势。设计中GPS数据通过串口传送，便于解决盲人走丢后导航定位问题。