付主木，陈曦，王栎阳，司鹏举

(河南科技大学，河南 洛阳 471023)

0 引言

据《中国医药报》报道：“全世界视力残疾者的总数为1.6亿左右，其中5 000多万为盲人，其余为低视力者；我国是全世界盲人最多的国家，全国盲人总数已超过1 300万，占全球总数的1/4，现在我国每年大约有100万人失明，这意味着几乎每半分钟就会增加一名盲人。如果按照目前的趋势发展下去，到2020年，我国盲人将增加4倍”。500万盲人，占世界盲人的18%。面对如此庞大的盲人群体，传统导盲方式的弊端日益突显[1]。盲人出行面临着障碍物感知难、安全系数低、无法识别目的地路径等问题。此外，有关导盲产品的国外市场也对此缺乏研究，相关市场几乎为空白；国内的导盲市场是较为新型的市场。因此，盲人对智能导盲拐杖的需求迫在眉睫[2]。

1 产品的设计方案

针对盲人出行的障碍物感知难、安全系数低、无法识别目的地路径等问题，本文设计了智能导盲拐杖。该拐杖可以使盲人无触碰感知障碍物位置；当盲人长时间处于跌倒状态时，拐杖能够自主向路人呼救，并将位置发送给家人；拐杖还能控制手机为盲人提供常去地导航；夜晚时能够打开闪灯提示路人及车辆注意。智能导盲拐杖功能模块图如图1所示。核心控制器采用STM32单片机，障碍物定位系统通过超声波探测障碍物，探测到障碍物后，可通过反馈感知系统的震动来通知盲人。警报系统通过陀螺仪姿态解算来判断盲人是否跌倒，并可以发出警报。如果盲人跌倒，可通过GPS和SIM800分别进行位置定位和位置信息发送，同时启动呼救系统吸引路人注意。拐杖可通过蓝牙与手机APP通信，进行常去地导航。

图1 智能导盲拐杖模块图

1.1 障碍物感知系统

障碍物的探测采用HC-SR04超声波模块，此模块性能稳定，测量距离精确，模块精度高，盲区小。该模块采用IO口TRIG触发测距，需要至少10μs的高电平信号，且模块会自动发送8个40kHz的方波，并检测是否有信号返回。当有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间[3]。测试距离等于(高电平时间×声速(340m/s))/2。 当检测到有障碍物时，超声波会返回障碍物的距离信息，并通过拐杖手柄处的震动装置将信息反馈给盲人，震动次数为1代表距离为1m内，为2则为1～2m内，以此类推可以检测到5m内的障碍物信息[4]。

1.2 危险求救系统

本文采用陀螺仪进行姿态的解算，采用GPS进行位置的确定，利用SIM800进行信息的发送。拐杖通过采集固定在其内部的陀螺仪姿态，根据卡尔曼滤波解算出欧拉角并以此来判断拐杖的姿态。当检测到的俯仰角>75°并且这一角度保持超过30s，则会发出有间隔的警报，提醒盲人是否放置拐杖时未关闭；如果10s后仍未关机且俯仰角仍>75°，则判定盲人跌倒且无法自己站立。此时则长时间发出警报吸引路人注意，同时拐杖上的SIM800会通过GPS模块获得此时位置信息，并将位置信息编辑成短信发送给家人，使家人及时了解危险，并做出处理[5]。家人手机APP中接收到消息后会触发提示音并显示盲人位置。

陀螺仪型号为MPU6050，MPU-6000(6050)的角速度全格感测范围为±250 °/s、±500 °/s、±1 000 °/s与±2 000 °/s(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且用户可程式控制的加速度全格感测范围为±2g、±4g、±8g与±16g[6]。产品传输可透过最高至400kHz的IIC或最高达20MHz的SP(MPU-6050没有SPI)。MPU-6000可在不同电压下工作，VDD供电电压介为(2.5±5%)V、(3.0±5%)V或(3.3±5%)V，逻辑接口VDDIO供电为(1.8±5%)V(MPU6000仅用VDD)。MPU-600的包装尺寸为4mm×4mm×0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。

采用的GPS型号为NEO-7M，它是NEO-6M的升级版。采用了新一代U-blox芯片，超高灵敏度，具备全方位功能；自带MINIUSB接口，使用普通数据线即可调试GPS模块，不再需要使用USB-TTL等工具；增加EEPROM存储芯片，设置参数等信息自动存储，掉电后配置自动保存，无需重新设置；板载MAX2659信号放大芯片，搜索能力更强[7]。

信息发送模块选择SIM800模块，此模块采用了SIMCOM公司的工业级四频850/900/1800/1900MHzSIM800芯片，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输；可以适用于短信监控二氧化氮、烟雾报警器、无线终端(短信猫)、工业监测与控制(温湿度、二氧化碳)、远程抄表系统和智能家居控制系统等控制平台[8]。SIM800模块性能稳定、外观小巧、性价比高，能满足客户的多种需求。SIM800C尺寸为17.6mm×15.7mm×2.3mm，能适用于各种紧凑型产品设计需求[9]。SIM800工作原理图如图2所示。

图2 SIM800工作原理图

1.3 常去地导航

通过安卓软件编写一个小型APP，同时将高德地图的接口放入到该APP中。将拐杖蓝牙地址设置为默认地址，手机蓝牙可以自主与拐杖中的蓝牙相连接，连接后可接收拐杖发出的数据。在APP中家人可为盲人设定5个以内常去地，并告知盲人顺序，盲人可通过拐杖上的按键选择地点，按一次选择键表示目的地为已设置的常去地，再按确定按钮即可开始导航，选择其他常去地导航以此类推。拐杖控制APP界面如图3所示。

图3 拐杖控制APP

1.4 夜间提示功能

拐杖内装有一个光敏电阻探头，通过光敏电阻检测外界白昼。当外界光线较弱时，拐杆的LED灯会被打开并闪烁，以便在夜晚天较黑时提醒行人及车辆注意，以此保障盲人出行的安全性。

2 拐杖硬件电路设计

2.1 器件选择

拐杖内部的器件选择如表1所示。

表1 器件选择

2.2 电路设计

拐杖电路原理图如图4所示。

图4 拐杖电路原理图

3 机械结构的设计

在拐杖的最底端安装有一只万向轮，通过万向轮可以实现拐杖在地面自由移动，节省使用者体力。拐杖的拐柱部分整体光滑且平直，在其中间部放置有超声波探头，拐杖整体呈长一字形。该设计符合盲人使用普通导盲杖的习惯。拐杖整体结构实物图如图5所示。把手形状整体呈圆筒形，可与盲人手掌完全贴合，提高使用者握杆的舒适度，避免因长时间握杆导致手掌酸疼。把手上加有防滑纹，防止拐杖从使用者手中滑落，且把手内部为空心设计，以便于将主控及其他外设装置其中，提高拐杖内部空间的利用率，使整体结构更为美观。把手结构图如图6所示。

图5 拐杖整体结构实物图

图6 把手结构图

4 产品使用效果

在研发初期，研发团队根据市场相似产品的功能不全、使用不便、视力障碍人士对产品需求度大等问题，对本产品经过多次的反复实验，形成了一个初步的产品小样。此后，还与用户紧密合作，通过用户的试用与反馈，不断吸取用户对产品的意见与建议，并通过控制变量与用户体验反馈，多次设置实验组与控制组，通过对比研究，不断地对材料、功能实现度、产品性能与使用舒适度进行改进。产品的真正效果是需要人为检测的，因此，在产品制作、测试完成后，本团队邀请河南推拿职业学院的200名视力障碍学生体验该智能导盲拐杖，并对其体验的感受通过纸质问卷调查进行反馈评价。问卷发放了200份，回收有效问卷为161份。在有效问卷中有75.6%的视力障碍人士对本产品感受良好，对功能给予了肯定；有85%左右的视力障碍人士接受产品定价并有意愿购买此产品。

5 结语

针对盲人出行障碍物感知难、安全系数低、无法识别目的地路径等问题，设计了基于STM32单片机的智能导盲拐杖。所设计的拐杖采用HC-SR04超声波模块探测障碍物，使盲人无触碰感知障碍物位置。通过MPU-6050陀螺仪进行姿态解算进而判断盲人是否跌倒。当盲人长时间处于跌倒状态时，拐杖能够自主向路人呼救，并通过GPS和SIM800将位置发送给家人。拐杖可以通过蓝牙与手机APP通信，进行常去地导航；夜晚时能够打开闪灯提示路人及车辆注意。所设计的导盲拐杖得到了视觉障碍人士的肯定评价。