郑安豫, 王 俊,2, 周 锐

(1.安徽电气工程职业技术学院, 安徽 合肥 230051;2.国网安徽省电力有限公司培训中心, 安徽 合肥 230022)

0 引言

伴随社会的发展，作为一个特殊的群体，残疾人生活质量的关注度逐步提高。除了在生活工作中给予平等对待、不歧视之外，残疾人生活所需的各种辅助设备也在不断的朝着智能化方向发展。

根据中国残疾人联合会的《全国残疾人人口基础库主要数据》，截至2018年12月31日，我国视力残疾人数量约为410.8万。与盲人数量不对称的是，中国的导盲犬的数量惊人的少。盲杖作为盲人的生活辅助用品，作用就尤其重要。随着社会的发展和盲人对盲杖应用的实践，促进盲杖的结构和使用方法有了长足的改进。由起初简单的棍棒，升级为更具应用效能的各种盲杖等；盲杖材质也更加轻便，外观也更加醒目，从而全面提升盲杖使用体验感和满意度。

近年，对盲杖的改进主要在盲杖的材质，形态，使用的舒适度等方面进行升级。随着“互联网+”时代的来临、移动互联网的迅猛发展，各种生活用品、家居用品、社会基础设施的智能化发展如火如荼。盲杖的智能化也顺利成章。

文章提出了一种基于单片机的智能盲杖设计。保留了传统盲杖轻便、舒适的特点之外，还增加了智能化模块，使盲杖能够提供更多智能化的功能。

1 设计思路

1.1 导航

进入移动互联网时代之后，智能手机应用也走进普罗大众的方方面面。地图APP作为一种常见的智能手机应用，具有定位、导航等功能，目的地的输入也支持语音输入，对盲人的使用没有太大的障碍。由于身体限制，盲人对路径导航的需求较常人更为迫切。但由于手机语音播报声音较小，在喧嚣的街道环境中需要贴近耳朵才能听清，如果使用耳机听取导航播报，虽然能够听清楚导航播报语音，但是带上耳机会影响盲人对周围环境的判断。综合来看，弊大于利，使用耳机并不是最佳方案。

为解决上述问题，文章设计了蓝牙模块连接手机，并设置扬声器来输出手机的导航音，盲人在喧闹的街道中也能清晰地听到导航播报语音，满足盲人对导航的使用需求。

1.2 GPS定位

在生活实际场景中，当盲人由于各种原因需要向他人发出求助时，需要向求助方描述身处的位置。常人一般会描述身处的环境特征、标志性建筑、路名等信息，由于盲人很难获取上述环境信息，无法向求助方描述准确位置，给求助带来麻烦。

为了解决上述问题，文章中设计GPS模块来实现获取当前所处的精准位置，并通过语音播报通知使用者。被求助方可以通过GPS位置信息来获取使用者的精确位置，为帮助扫清障碍。

1.3 超声避障

传统盲杖在使用时，使用者用手臂驱使盲杖与障碍物发生碰撞，并感受碰撞反馈回的信息，来判断障碍物的位置。这种使用习惯需要大量的训练才能达到熟练使用，即使熟练使用后，仍然会有各种意外情况导致判断出错。

基于此，文章中设计了超声模块与蜂鸣器来实现，利用超声模块不停检测前方障碍物，如果遇到障碍物，通过蜂鸣器通知使用者。

1.4 系统结构

系统采用单片机驱动各个模块来实现智能盲杖系统。整个系统的构造如图1所示。手机的路径导航系统已非常成熟，不需要重新设计。系统中设计了蓝牙喇叭来连接手机，实现导航语音的播放，使用前将蓝牙信号配对好，使用中无需进行其他设置。

图1 智能盲杖系统构造

2 硬件选择

2.1 单片机处理器

单片机作为系统的计算与控制中心，在智能盲杖系统的数据处理量不是特别大，因此，考虑采用AT89C55单片机。AT89C55是一种低功耗，高性能的8位CMOS单片机，与业界标准80C51指令集与引脚完全兼容，内部有256字节的RAM，20字节程序存储器，32个I/O端口，3个16位定时器，8个中断源。

2.2 语音模块

作为系统的输出接口，语音模块有多种选择，本系统采用科大讯飞推出的一款高性价比的中文语音合成芯片，型号为XFS3031CNP。该芯片通过UART接口接收待合成的文本，把文本合成为语音输出，可以采用GB2312、GBK、BIG5和UNICODE四种编码方式。芯片支持英文字母的合成，遇到英文单词时按字母方式发音。另外，芯片还具有智能文本分析功能，对常见的数值、电话号码、时间日期、度量衡符号等格式的文本，芯片能够根据内置的文本匹配规则进行正确的识别和处理。系统的语音模块结构如图2所示。

图2 语音模块结构

2.3 GPS/北斗模块

为了精确获得当前的定位信息，系统通过和芯星通生产的UM220定位芯片，支持GPS/北斗双系统来实现双模定位。UM220内置6轴MEMS器件，可直接输出GMSS与MEMS组合定位结果。模块通过天线获取信号后支持TXD、RXD串口输出，方便信息处理。UM220结构图如图3所示。系统设置有启动按钮，每次按下按钮，触发软件中的中断，利用语音播报模块向使用者播报位置信息。

图3 UM220结构图

2.4 超声传感器

超声波测距、避障在机器人领域已经有广泛的运用。超声波发射装置向外发射出超声波，遇到障碍物会产生回波，接收装置接收到回波。从发射出超声波到接收到超声波，之间的时间差为

T

，根据

T

可以计算出盲杖与障碍物之间的距离

S

，其计算公式如下。

式中，

C

为超声波在空气中的传输速度。当距离

S

小于限定值

SL

之时，蜂鸣器会发出报警。

3 软件设计

系统软件采用C语言编写，利用KeiluVision4将代码编译成HEX文件，通过烧录软件将编译后的HEX文件写入单片机，单片机上电执行代码逻辑。

盲杖使用开关打开之后，单片机上电并对各个模块进行初始化。超声避障处理是一个循环，每隔0

.

2秒计算障碍物的距离，如果距离超过设定的警戒值，利用蜂鸣器触发报警。系统超声避障的处理流程如图4所示。

图4 超声避障流程

定位、语音播报通过按钮触发中断实现，使用者按下按钮，中断函数从GPS

/

北斗模块中获取定位信息，利用语音合成模块向使用者播报定位信息。中断执行结束之后，重新回到超声避障循环处理，为使用者提供避障服务。中断处理流程如图5所示。

图5 定位播报流程

4 总结

文章设计了一种基于单片机的智能盲杖系统，通过超声模块实现障碍物自动报警，利用支持GPS

/

北斗双系统的定位芯片实现定位并进行语音播报，丰富了盲杖的功能，在一定程度上实现了盲杖使用的智能化。整个系统结构设计简单，单片机与各模块的成本低廉。基于单片机的智能盲杖系统，为盲杖的功能扩展提供了思路，为进一步改善盲杖的功能提供了探索。