多功能智能导盲手杖系统研究
刘春 陈志濠 贺桂娇
摘要：文章主要介绍了多功能智能导盲手杖系统的基本功能和原理以及具体实现方法与技术。多功能智能导盲手杖系统采用STM32为主控制芯片，外围添加了超声波测距、语音合成GSM，GPS，GPRS以及蓝牙传输等设备进行总体调度控制。采用了实时操作系统进行总体调度，融合多个传感器构成网络进行定位避障，精确度大大提高，而且该设计采用的设备成本较低，易于推广，具有较高的商业价值与社会价值。
关键词：STM32；GSM；GPS；GPRS；定位避障
1基本思路及技术指标
如图1所示，针对盲人朋友在日常生活中所遇到的各种问题，我们团队所设计的多功能智能导盲手杖系统的基本思路是，通过超声波传感器实现对使用者周围障碍物的探测能力，并将距离信息通过语音信号发送至蓝牙耳机告知使用者。此外，当使用者急需告知亲友自己当前位置时，GPS模块会将使用者目前所在位置信息经GPRS模块以短信的方式发送至亲友手机，以便亲友寻人。
该设计在实现过程中主要考虑的技术指标有：超声波测距的范围与精确度以及对较窄通道的准确判定，GPS定位的精确度，语音模块对信号处理的清晰程度，语音识别模块以及蓝牙模块与蓝牙设备的传输距离。
2设计原理
本设计需要实现的功能是在手杖开关开启后，其超声波测距模块工作，对周围障碍物进行探测，并根据回波到达的时间利用时间差测距公式：
距离=声速×回波时间/2
得到障碍物的距离，并实时发送给主控单元。
超声波探测网络及基于数据融合思想的障碍物判定算法，不仅可以实现对使用者前方3米以内的障碍物的大范围探测，同时也能保证在遇到较窄通道时不会因为探测范围较大，使得通道被周围的障碍物回波所淹没，从而实现在每个探测器探测范围最大的情况下，不影响对较窄通道的准确判定。
随后，由STM32构成的主控单元对距離信息进行判断，当达到预警门限值时，主控单元给语音模块发送指令，使其将主控单元传送来的障碍物距离信息经过语音处理，再通过蓝牙模块向外接蓝牙耳机，实时播报距离变化信息，而大于预警门限值时，语音处理模块不工作，系统不进行播报，保持静默运行。
此外，GPS模块实时对使用者位置信息进行定位，当使用者想要知道当前位置时，主动触发播报开关，语音模块就会生成语音片段，并通过蓝牙设备对使用者进行位置信息播报。
而且如果使用者急需与家人或朋友联系时，可以通过GPRS模块，将目前使用者所在位置信息，通过短信的方式发送到预存的家人的手机上，以方便家人朋友对其进行寻找。
3设计方案
为实现以上功能，本设计将需要用到的功能模块如下：
（1）超声波测距模块；（2）蓝牙无线通信模块；（3）GPS定位模块；（4）GPRS通信模块；（5）语音播报位置信息模块；（6）SD卡读取数据；（7）语音识别模块。
该设计总体系统构成框架如图2所示。
4作品创新点
本作品将嵌入式技术，传感器网络，信号处理，卫星定位以及无线通信的热门技术融合并应用于特殊人群设备中，这本身就是一种创新，而且技术含量高，具有良好的市场前景与应用价值，更具有一定的社会价值。
此外根据多次试验的结果，自行设计并组建了由4个超声波传感器组成的探测网络，融合多组数据进行判断，实现对障碍物的探测。同样，该网络的探测利用数据融合算法，自行设计、验证并实现，能够提高探测的准确度、对前方较窄通道也能进行很好的判定，这种结构和判断算法也是本次作品的核心创新点之一。
GPS模块、GPRS模块以及计算机网络技术的加入，使得整个作品的功能进一步加强，更加有助于改善盲人朋友的生活状况。例如在使用者遇到紧急情况需要让家人朋友知道自己所在位置时，手杖可以通过GPS及互联网进行定位，并通过GSM模块将位置信息以短信的方式发送至亲人手机，从而使盲人朋友在遇到紧急情况时多了一份安全保障。
为了使整个系统的运行效率更高和稳定性更好，我们将为整个作品搭建实时操作系统，这样可以使整个手杖的各个功能模块运行的效率、稳定性和协调性大幅度提升，手杖的实时性也能得到很好地提高。
5可改进的地方
到目前为止，以上所述的模块及功能，各个模块的算法与程序的设计和编写正在调试。预期的单独功能均已实现，作品的外观设计图也已经基本完成。本文可以在上述功能的基础上融合和添加更多的热门技术与功能模块，使得其功能可以得到更大的扩充。
本设计对下一步作品需要改良的方面进行了讨论和分析，并达成了以下几点改进和完善的方案，以待日后完善：
（1）进一步实现音识别功能，通过对使用者的声音进行判断来实现系统以及各个模块的开关；（2）总控及信号分析环节的进一步算法优化，提高系统实时性和稳定性；（3）根据使用者身高，可以既设计成可伸缩方式（3节）以适应不同身高的使用者，以及便于携带；（4）考虑产品防水特性；（5）尽量减轻重量，尤其是电源部分重量；（6）提高产品强度，例如防碰撞能力，使得盲人朋友传统敲击探测方式与超声波测距能够同时实现。
6结语
由于还存在诸多需要完善的地方，这也是团队未来的研究和奋斗目标。本系统已经完成了各部分功能模块的设计，整合后的多功能智能导盲手杖系统的调试模型也已建立。最终将把各个功能模块集成为PCB电路板上的基本单元，来实现各个功能的集成，为了实现功能调试，本文专门印制了调试用电路板，期望为改进该系统提供参考。
