基于STM32的多功能新型智能导盲杖设计

李凤桐 顾雅青 李聪

(山东华宇工学院 山东德州 253034)

目前，我国有1 700 万盲人，占全球盲人数量的18%。与发达国家相比，我国盲人专用产品和服务开发远远不够[1]。视力缺陷是盲人出行的最大难题，目前，我国引导盲人出行的主要方式有建设盲道、导盲犬、导盲杖引导。这3种引导方式中，盲道破损情况时常出现，非机动车占用盲道的现象也比比皆是，给盲人出行带来很大不便，甚至可能会带来人身伤害。而导盲犬因其需要培训的周期很长，需要投入很高的人力、物力，经常要花费两三年才能培养出一只优秀的导盲犬，所以应用并不普遍[2]。相比之下导盲杖的应用更加普遍，然而传统的导盲杖仅是一根拐棍，只能探索到周围1 m处是否有障碍物，无法探测更远的地方，更无法对紧急情况做出提示，远不能满足盲人的出行需求，盲人迫切需要一种功能齐全的智能导盲杖。而现有的智能导盲杖中，多是利用超声波原理来识别障碍物，虽能帮助盲人避让前方障碍物，但功能比较单一，而且反应速度慢，影响出行体验[3]。因此，设计一款能够及时发现前方、上方障碍物，有语音播报功能，且方便盲人夜间出行的智能手杖，对提高盲人的出行体验感、引导盲人安全出行具有重要的意义。

1 设计背景

当前，我国在智能拐杖方面也有不少的创新，但由于技术不成熟、成本难以控制等，导致国内市场上可供选择的盲人拐杖非常少。我国导盲杖一般在医疗器材店销售，药店里很少会有导盲杖，一般的大型商场更是难以找到。同时，导盲杖相关产品选择少，市面上的导盲杖产品基本上大同小异，只是在材质与便携性上有所不同[4]。通过实地调研发现，使用传统导盲杖的盲人占盲人群体的大部分，有1/3的盲人甚至不使用导盲杖，因为他们几乎不出门，或只在有家人陪同的情况下出门。很大原因在于大部分盲人直接使用的是政府、残联或街道资助的传统导盲杖，自己挑选购买导盲杖的盲人只占小部分。因此，我国国内市场上的盲用拐杖依旧以传统的导盲杖为主，给盲人出行带来很大不便。随着我国科学技术水平的提高，新一代信息技术的发展为智能拐杖提供了技术保障，国家目前正大力推动“互联网+”、云计算等新一代信息技术，而新一代信息技术正是智能导盲杖的技术保障[5]。无论是智能控制、安全防范、共享实时定位，都需要对应的传输方式以完成对信号的传输过程。信号传输方式的改进、传输速度的加快、安全水平的提升都会给智能导盲杖带来积极改变。

2 智能导盲杖的功能介绍

本研究中的导盲杖选用STM32F 系列单片机为微控制器，总体控制盲杖中的传感器。利用超声传感器来测量盲人与障碍物的距离，通过语音形式将障碍物的信息播报给盲人。利用光照度传感器来测量盲人行走环境中的光照强度，如果在天色较暗或者夜晚的情况下，光照较弱时，导盲杖上的LED 灯就会自动打开，让来往的行人与车辆都能在灯光的引导下看到盲人，及时避让盲人，保证盲人的出行安全[6]。本导盲杖还安装了积水探测传感器，利用该传感器可以检测到路面是不是有积水，用蜂鸣报警的形式传递给盲人，让盲人避开积水区，防止滑倒。

3 智能导盲杖的硬件组成

3.1 杖体总体设计

本着轻便实用的原则，智能导盲杖体采用的是铝合金材质，携带轻便，而且价格不高。杖体是可自由伸缩的设计，高度调节范围为1.0～1.8 m，不同身高的盲人可根据自身实际身高自由调节高度。处理器、电源模块以及各种传感器都安装在手柄内，手柄下部25 cm范围内不能伸缩，用来安装LED 发光灯带。该设计将灯带的颜色设计为红色，在光照弱或黑暗的情况下，红色灯很显眼，容易引起行人及车辆的注意[7]。杖体内部是中空设计，一是为减轻杖体的重量，二是为了将连接传感器及电源的线内置在其中，让导盲杖外观更加简洁。连接线的长度设计为比杖体最大高度略长，防止拉伸杖体时拉断连接线。

3.2 微处理控制器

处理器是智能导盲杖中的核心控制部分，功能要齐全，而且价格要便宜。该设计中选用的是STM32F1032单片机作为微处理器，该处理器不仅功能全，而且功耗比较低，价格也很便宜，能降低设计成本，适宜推广应用[8]。

3.3 电源模块

为节约成本，电源模块采用的是可充电的9 V 电池。由于导盲杖中各种传感器的工作电压是5.0 V，因此，在具体设计中设置了一个电压转换模块，能转换成传感器工作需要的电压。在实际应用中，只有超声波探测传感器需要一直工作，其余的传感器不用一直工作。为节省电源，所有传感器都设置按键开关，不用时将电源关闭，需要时再将开关打开[9]。例如：在路上行走需要探测路面积水情况时，将对应的控制开关打开，积水探测传感器就会通电工作，探测路面积水情况，让盲人避开积水路面。

3.4 超声波测距模块

超声波测距模块用来测量盲人与障碍物之间的距离，该设计采用的是HY-SRF05，该模块的测距精度高，具有非接触式感测的功能，实物见图1，各引脚的作用见表1。在实际中，除脚部障碍物外，面部障碍物也是影响盲人出行的主要障碍。因此，该设计中采用两个测距模块，分别安装在导盲杖的上、下端，可以检测盲人脚部与面部附近的障碍物，让盲人避让障碍物。

图1 超声波模块实物图

表1 超声波模块各引脚作用

3.5 语音传感器模块

该设计采用的是语言合成芯片模块，该模块接受到文本信息后，将文本合成为语言，然后输出。该模块有多种编码形式，不仅支持中文语言，还支持英文字母合成，能够识别电话、时间、长度符号等一些常见的文本信息，并对其处理后进行语音播报。

3.6 光照度传感模块

采用BH1750 光照传感器，分辨率高，能探测光照强度大范围的变化，光谱灵敏度高，内置的用来探测光照强度的光敏二极管几乎接近人眼反应。此模块的工作原理是：光敏二极管PD 探测到光照后，集成运算放大器会将PD 电流转化为PD 电压，模数转换器会获取由16位数字组成的数据，通过相应的指令操作可以读出光照数据，如果光照强度小于30 lx 时，LED 灯就会开启[10]。

3.7 积水探测传感模块

目前，市面上的积水探测传感器多是自带蜂鸣报警的，不需要微处理器来控制，因此，可以直接单独接入电源。该模块的功能是探测路面积水，因此，安装在导盲杖的底端，距离地面1.0～1.5 cm处[11]。该模块利用液体导电原理来探测路面积水情况，模块中有两个电极探头探测路面积水，当路面有积水时，由于水可以导电，就会导致两个探头间形成通路，其内置的控制器就会将其转换成开关量输出信号，报警器就会被启动。

3.8 导航定位传感器模块

采用追踪灵敏度高的GPS 模块，模块获取到导盲杖的位置信息、高度和行进速度后，就会将获取的信息传输给微处理器，微处理器进行数据处理后，按照目标位置选择最佳的路线，引导盲人更安全地到达目的地。在实际应用中，通过导盲杖位置信息共享，亲属可以通过手机或电脑实时获取导盲杖的位置信息，更好地了解持杖人的位置信息。如果持杖人位置偏离目的地，或位置信息长时间不更新，亲属可以及时去现场，防止出现持杖人走丢的情况[12]。

3.9 导盲杖底部卡轮

传统导盲杖需要使用者依靠敲打地面来了解障碍物情况，不仅对障碍物的情况判断不准确，而且长时间的敲打地面还会让使用者出现手臂酸痛的情况，使用体验感不好。为让盲人能实现长距离行走，而且使用过程更加省力，该设计的导盲杖底部采用凹槽卡轮设计，两轮之间的距离大于盲道单个凸起的宽度，实物如图2 所示。使用者不用刻意地去调整方向，只需让推导盲杖垂直地面，用手轻推前行即可，确保使用者能在盲道上基本沿直线行走，有效防止出现偏离盲道的情况。

图2 导盲杖底部卡轮实物图

4 软件设计

软件设计采用Keil5软件开发工具，程序编写使用C 语言，整个软件设计包括主程序、各传感器子程序，都是在集成开发环境中组合，不仅生成代码快，而且便于理解。系统设计的障碍物测量距离为1.5 m（如果距离过小，使用者不容易避开障碍物），即无论是底部障碍物还是面部障碍物，只要与盲人的距离小于或等于1.5 m 时，语音报告系统就会开启语音播报提醒，让盲人避开障碍物。白天出行时，可以关闭光照度传感器开关，当夜晚或光线较暗的阴天出行时，可以开启对应的开关，用光照度传感器来实测盲人行走环境中的光照强度，当外界的光照强度不足30 lx 时，LED 灯就会打开。雨后出行时，打开积水探测传感器的开关，当路面积水深度超过1 cm 时，传感器就会蜂鸣报警，提醒盲人注意[13]。

5 实验结果及结论

为了验证该智能导盲杖的功能可靠性，设计人员白天在山东华宇工学院图书馆正门与校门口处进行了多次实验，结果表明：该新型智能导盲杖的灵敏度高，功能可靠。测试者被不透光的黑布蒙住双眼，手持智能导盲杖在测试区域行走，在图书馆门口与教学楼之间50 m 的路段上设置的6 个障碍物（如木板、石块、大树枝等），可以全部探测到，成功率达100%；在路面上洒水12 次，检测到11 次（1 次洒水太少），成功率91.67%，实验结果如表2 所示。在学校门口前40m 到出口处车辆升降杆区域进行多次实验，主要测试导盲杖对前方障碍物和上方障碍物的检测情况，检测成功率100%，实验结果如表3所示。天黑以后在学校随机选择多个区域进行光照测试，将区域内光源关闭后，进行多次实验，LED 灯带均可亮起，而且灯光比较醒目，很容易引起路人的注意。

表2 图书馆区域实验结果

表3 门口升降杆区域实验结果

根据多次实验结果，该新型智能导盲杖在路况简单的区域内反应灵敏，在距离障碍物1.5 m时就有语音播报提醒，让使用者可以及时避开障碍物，LED灯也能根据外界环境的光照情况及时开启。在实际测试中，当路面积水不到1 cm 时，蜂鸣报警器不响；在路况复杂的路段，有时会出现多次报警的情况；如果障碍物体积过小的话，有可能会检测不到，这些问题需要后续改进优化。总体来看，该新型智能导盲杖能引导盲人避开前方与上方较大的障碍物，能够在光照不足的情况下亮灯，提醒路人避让盲人，能检测到路面的积水，让盲人避开湿滑路段，比起传统的导盲杖来，功能更加完善，灵敏度更高，为盲人出行提供了便利。