一种智能导盲拐杖设计
宋爽 邹治嘉 马宏强
摘 要：目前，由于市场上的导盲拐杖功能比较单一，无法满足盲人的需要。针对这一问题，文中设计了一种基于STM32的智能导盲拐杖。此款拐杖为空心圆柱状，选用stm32f103rct6为主控芯片，并且通过超声波测距、语音合成、紧急按键物理装置来实现给使用者的提醒、导盲功能，通过GPS定位成熟物联网技术实现导航定位功能，帮助盲人更加智能方便的出行。
关键词：MCU;智能导盲;单片机;超声波测距;GPS定位
盲人外出时会遇到各种情况，如遇到障碍物，不清楚路况，或者因为监护人不在而走丢等。因此，本文利用现代已有技术，研究出一种新型导盲系统，通过软硬件结合，以实现障碍物避障、语音与发光提示、角度测量防摔以及GPS定位功能，以帮助盲人解决出行时遇到的问题。
1 智能导盲拐杖的设计系统结构
图1 原理框图
选用stm32f103rct6为主控芯片，配合独立的电源电路、光控发光电路、由SYN6288模块构成的语音合成电路、由HCSR04模块构成的超声波测距电路、由压力传感器及压力转电压模块构成的压力检测电路和由SIM868模块构成的定位电路，实现一款集测距避障、危险报警、紧急报警按键、实时定位和发送消息于一体的智能导盲拐杖。
2 硬件电路设计
2.1 主控芯片最小系统设计
图2 stm32f103rct6最小系统
其中，包括stm32f103rct6最小系統、下载端口电路和变压电路。在晶振电路中，8MHz晶振提供外部高速时钟（HSE），用于提供更精确的系统时钟;32.768KHz晶振提供外部低速时钟（LSE），为精确定时服务，可用于RTC电路时钟源，可为低功耗提供计时。
2.1.1 语音合成模块电路设计
利于syn6288模块，通过与主控芯片进行串口通信，达到语音合成的目的，如播报时间、危险警报等。
2.1.2 GPS定位模块电路设计
通过串口与主控芯片进行通信、实现定位、发送信息的功能。
2.1.3 超声波测距模块电路设计
将HCSR04模块安装于拐杖底部前端，通过端口TRIG和ECHO给主控芯片传输信号，主控芯片根据所传输的信号进一步计算得出所测距离，当距离小于某一设定值则主控芯片控制语音合成模块发出危险警报，达到避障的目的。
2.1.4 独立电源模块电路设计
其中，设计了利用太阳能板给蓄电池充电电路，TP4056模块将太阳能板提供的电能充入蓄电池中，蓄电池则采用可充放电的锂电池并配备充电口，电池容量大小可根据最终运行结果现在合适的容量。
图3 电源模块电路
2.1.5 光控发光电路设计
由于D5光敏电阻的灵敏度非常高，远远大于人眼对光强弱的判断，故此电路不涉及主控芯片，在自然光较弱的情况下即可触发此电路，自然光越弱光敏电阻阻值越大，三极管导通度越高，从而LED两端电压越大，即越亮，可以简单有效地达到发光的作用。
图4 光控发光电路
2.1.6 压力传感电路设计
其中，设计两个薄膜压力传感器，一个在握手部，一个在拐杖底端触地处，两个传感器压力范围根据实际情况具体设计。工作原理是将压力信号通过压转电模块转换为需要的范围电压，再通过主控芯片实时监测。
2.1.7 紧急按键电路设计
当按下按钮时主控芯片PB12端口由高低配变化为低电平，从而实现是否按下按钮地检测。设置为长按一定的时间向手机发送使用者所在的位置，仅限突发情况使用，即报警按键，如使用者迷路、腿部受伤等类似情况。
2.2 原理图
图5 原理图
2.3 PCB图及PCB板
2.3.1 PCB图的绘制
此PCB为双层板，长约80mm，宽约60mm。其中5V电源线采用30mil线宽，3.3V电源线采用20mil线宽，地线采用30mil和20mil线宽，其余信号线均采用10mil线宽。
图6 PCB图
2.3.2 PCB板打样
图7 PCB板正面图
3 软件设计
该系统的软件分为地理位置查询及上报、语音提醒两部分，地理位置的查询及上报又分为：获取GPS、GPS逆地理编码得到地名、盲人当前位置上传OneNet云平台。语音提醒部分又分为：前方障碍物提醒、手杖长时间离手提醒、当前位置播报。以上功能全部基于STM32F103C8T6平台采用C语言编程实现。
图8
3.1 地理位置查询及上报部分软件设计
3.1.1 GPS定位
SIM868模块具有GPS功能，软件上通过串口对SIM868发送AT指令来控制芯片开启GPS功能及接收GPS信号。程序中采用AT+CGPSOUT=2开启GPS数据输出，因此获取的GPS数据格式为GPSGGA，获取GPS数据的流程如图9所示：
图9
该语句以字符串的形式发送，因此程序中须对该字符串进行解析，获取经度和纬度的角度格式，通过使用字符串处理将字符串格式的度分经纬度信息转换为浮点型，并通过以下计算，将度分格式的经纬度转换为角度格式的经纬度，经纬度处理程序如图10：
图10
3.1.2 逆地理编码
需要获取地名就需要通过经纬度的逆地理编码，而逆地理编码所需的数据量过大，单片机内存不足，所以逆地理编码过程无法在本地进行，因此采用访问高德地图的方式获取经纬度的逆地理编码，要访问高德地图，就需要向高德地图发送HTTP的GET请求。通过http网络发包工具向高德地图发送get请求获取得到的逆地理编码如图11所示：
图11
formatted_address字段既为我们所需要的经纬度转换后的地名信息。使用SIM868模块请求逆地理编码时与HTTP发包工具原理相同，均为发送HTTP协议的GET请求报文，该报文包含请求服务器的url，该url中location字段为经纬度信息，output字段為输出数据的格式，key为用户密钥，每个应用均具有一个密钥，radius为以该经纬度为中心半径为radius范围内查找地名。
SIM868接收到服务器的响应报文后通过串口转发给STM32单片机，单片机接收到后，通过解析字符串即可获得携带地名信息的数据。
4 结论
距离测试：
说明：传感器检测距离设置为2米，距离偏差为0.02米。
表示报警，表示未报警。
定位测试：
导盲杖每间隔一段时间向OneNet云平台发送一条携带盲人经纬度信息的POST请求将盲人的所处位置标记在OneNet云平台应用的地图上。
图12为测试中不同经纬度在地图上的标记：
图12
本系统的优点在于角度传感器可检测拐杖状态，当盲人不慎摔倒时，系统立即启动蜂鸣器告知盲人当前的情况，使监护人迅速反应搀扶盲人。当遇到障碍物时通过超声波测算障碍物距离进行语音提示，提示盲人自身位置与障碍物间的距离，通过GPS对盲人进行精确定位，从而获得盲人的精确位置，防止其走丢。本设计具有成本低、障碍物检测精度高、跌摔检测可靠等优点。
参考文献：
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