袁世峰，张若雨，刘 春，王玉萍

（郑州科技学院，河南 郑州450064）

为减轻盲人出行难的问题，笔者们设计此款智能导盲杖，虽然目前市场上有相关产品，但大多都有缺陷，比如单一的超声波测距，这样无法将完整的信息传送给盲人，也会给盲人带来一些问题。还有一些专家学者设计出来的相关产品，也都是为了缓解盲人出行问题，笔者们设计的此款智能导盲杖将融合各家之所长，也为缓解盲人出行问题做出一些贡献。

1 导盲杖的功能设计

导盲杖使用Arduino系列单片机为微控制器，可实现以下功能：①在杖体下部设置超声波传感器，利用超声波传感器测距工作原理将前方障碍物反应给盲人，利用震动模块和语音播报模块将信息传递给盲人。②GPS/北斗导航定位，盲人遇到麻烦时，可以按下独立开关，相关联人发出位置信息，关联人凭此可快速找到盲人。③杖身设置MP3模块，盲人感到无聊的时候，可以播放音乐。④杖身设置一条LED灯，在光敏电阻的控制下，光线暗时亮灯，便于路人看到盲人，缓解盲人夜间出行的压力。导盲杖功能设计如图1所示。

图1 导盲杖功能设计图

2 智能导盲杖的硬件设置

2.1 微处理器

导盲杖采用的是Arduino Uno R3的开发板，它有14个数字输入/输出引脚（其中6个可用作PWM输出），6个模拟输入，16 MHz晶振时钟，USB连接，电源插孔，ⅠCSP接头和复位按钮。只需要通过USB数据线连接电脑就能供电、下载程序和数据通讯。Arduino是一款简单能够快速上手的开源电子型平台，为导盲杖的设计开发带来了很大的帮助。

2.2 导盲杖杖体

导盲杖杖身采用碳素复合纤维材质，其原因为：①碳素复合纤维材料的密度是1.6～2.1 g/cm3，所以用它来制作导盲杖质量轻，便于携带。②碳素复合纤维强度较高，是普通钢铁的5倍。③它的热膨胀系数低，变形量小。

在杖体中下部设置一个超声波传感器，在手柄处设置MP3模块、蜂鸣器和震动模块，在杖体中央设置GPS/北斗定位模块。在导盲杖下部和上部分别设置LED灯带，增大盲人曝光度，杖体内部中空，用于排线。结合人体工学，导盲杖杖高为1.2～1.3 m，底部可伸缩，可调节合适的尺寸。另外，导盲杖带有软塑按摩手柄，手柄中心采用金属圈加固，手柄表面有凸起的按摩颗粒，贴合手掌静脉，缓解由于长时间握把造成的疲劳。除此之外，导盲杖还带有防脱落手绳，由四股强韧尼龙绳编制一体，三维柔弹立体设计，经久耐用。

2.3 超声波测距模块

超声波测距模块选用的是HC-SR04，采用ⅠO触发测距，触发信号输入端（Trig）输入一个10 ms以上的高电平信号，超声发送口收到信号自动发送8个40 Hz方波，同时启动定时器，待传感器接收到回波则停止计时并输出回响信号，回响信号脉冲宽度与所测距离正比，根据时间间隔可以计算距离。

公式为：距离=（高电平时间×声速）/2。HC-SR04实际测量结果如表1所示。

测距时，被测物体面积不宜少于0.5 m2且尽量要求平整,否则影响测量结果。前方有平滑物体（如图书封面、镜面、墙体）与传感器夹角大于45°（非垂直反射）时误差明显，且在5～40 cm范围内读数不稳定，其中可能会出现的误差有三角误差、镜面反射、多次反射等。前方有毛衣，毛毯等吸音材料时读数不稳定。声波测量角度为30°精度平均正负4 cm。

表1 HC-SR04实际测量结果

2.4 GPS/北斗定位模块

该模块采用的是ATGM336H，是一款高性能BDS/GNSS全星座定位导航模块，出色的定位导航功能，支持BDS/GPS/GLONASS卫星导航系统的单系统定位，以及任意组合的多系统联合定位，并支持QZSS和SBAS系统。支持A-GNSS和D-GNSS，ATGM336H是一款真正意义的六合一多模卫星导航模块，包含32个跟踪通道可以同时接收6个卫星导航系统的GNSS信号，并且实现联合定位、导航与授时。具有高灵敏度、低功耗、低成本等优势。

高性能解决方案冷启动捕获灵敏度：-148 dBm，跟踪灵敏度：-162 dBm。低功耗：BDS/GPS双模连续运行小于25 mA（@3.3V）。内置天线检测及天线短路保护功能。在定位模块设置单独按键，当盲人按动按键则发出定位信息。

2.5 震动传感器、蜂鸣器

振动速度传感器是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号，它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧尼等部分组成。输出信号和振动速度成正比，具有较低的输出阻抗，较好的信噪比，使用方便。具有较低的使用频率、可以适用于低转速的旋转机器，有一定抗横向振动能力（不大于10 g峰值）。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，接口为KF2510，KF2510接口是一种防反接接口，用对应接口连线可以和KF2510接口扩展板对接，还可以连单芯杜邦线。

2.6 光敏电阻、LED显示装置

光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1 kΩ以下。当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常开触点断开，实现对外电路的控制。光敏电阻、LED显示装置如图2所示。

图2 光敏电阻、LED显示装置图

2.7 电源模块

智能导盲杖选取7.4 V 2串电池组为电源，因为各模块所需电压不太高，7.4 V即可满足，再通过电压转化模块，将7.4 V电压转化为各模块所需电压5 V或3.3 V。

2.8 MP3播报模块

MP3播报模块如图3所示。

图3 MP3播报模块

3 软件设计

软件设计使用的是Arduino软件开发工具，可以快速使用Arduino与Adobe Flash，Processing、Max/MSP、Pure Data、SuperCollider等软件结合，作出互动作品。Arduino可以使用现有的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、LED、步进马达或其他输出装置。Arduino也可以独立运行，并与软件进行交互，这就是Arduino的特点即跨平台、简单清晰、开放性。本设计主要包括超声波测距程序、震动和蜂鸣器程序组成。当中下部超声波测量障碍物距离小于等于20 cm时，语音播报“请注意，前方有障碍物”；当按下GPS/北斗定位开关后，将会给关联人发送位置信息。傍晚光线暗时，光敏电阻模块和LED灯带模块会自动开始工作，启动LED灯带，增加盲人晚上出行的安全性。整个设计程序执行如图4所示。

图4 导盲杖整体设计程序执行图