功能智能盲人拐杖助手的开发与设计

112 | Techniques ofAutomation & Applications
行业应用与交流
Industrial Applications and Communications
《自动化技术与应用》２０１４ 年第 ３３ 卷第 ４ 期
短信内容用语音的方式播报出来的功能使盲人随时知 道自己当前的位置、时间、天气信息等语音提醒，结合 先进的智能手机终端可以实现附近餐厅、卫生间、超市 等场所的提醒。
《自动化技术与应用》２０１４ 年第 ３３ 卷第 ４ 期
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功能智能盲人拐杖助手的开发与设计
姜 斌， 王 强
（黑龙江东方学院电气工程及其自动化教研室，黑龙江 哈尔滨 １５００８６）
摘 要：针对市场上提供盲人使用的拐杖结构简单，功能单一，无法实现较好导盲效果的缺点，本文以单片机 ＩＡＰ １５Ｆ ２Ｋ ６１Ｓ ２ 为主控 件， 设计了一款具有 Ｇ Ｐ Ｓ 定位、Ｇ Ｓ Ｍ 手机通信、超声波测障、语音提示等功能的多功能智能盲人拐杖助手； 该拐杖可以对 前方障碍物实时探知报警，具有语音控制接打电话的功能，使盲人随时可以方面的和家人、朋友沟通，还可以实现将短信内容 用语音的方式播报出来，使盲人随时知道自己当前的位置、时间、天气信息等语音提醒，特别突出的是家人、朋友可以随时通 过 Ｇ Ｐ Ｓ 掌握盲人的具体位置，而且当盲人发生意外时只需按一下按键就会自动拨打紧急电话求助家人，家人也可以随时监听 到盲人周围的环境声音，达到既方便又安全出行的目的。该设计功能齐全、操作简单、成本较低，具有很强的实用性和推广价 值。
收稿日期：２０１４－０２－１９
明显，事实上，盲人朋友使用时会碰到诸多问题，比如路 况不好，前方有悬挂的障碍物，普通的拐杖无法准确的 探明； 出行时当前天气的变化无法知晓； 迷路时方向无法 定位，亲属不容易寻找等。本设计是一种能够让盲人对 前方障碍物实时探知报警的多功能智能盲人拐杖助手， 特别突出的是该拐杖具有语音控制接打电话功能，使盲 人随时可以很方便的和家人、朋友沟通，而且还具有将
３．２ 语音接打电话部分
当 ＳＩＭ 通信接收到来电时，盲人可以说出“接电话” 然后语音芯片分析盲人说出的内容后，单片机把接电话 的信号送给 ＳＩＭ ３００使之接起电话。
语音识别的操作顺序是：通用初始化→语音识别用 初始化→写入识别列表→开始识别，并准备好中断响应 函数，打开中断允许位。
３．３ GPS 定位部分
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图 ４ 超声波模块原理图
采用 ＩＯ 口 Ｔ Ｒ ＩＧ 触发测距，给至少 １０Ｕ Ｓ 的高电平信号； 模块自动发送 ８个 ４０Ｋ Ｈ ｚ 的方波，自动检测是否有信 号返回； 有信号返回，通过 ＩＯ 口 Ｅ Ｃ Ｈ ０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。测试距离 ＝ （高电平时间 ＊声速（３４０Ｍ ／Ｓ））／２。从而 通过主控部分 Ｃ Ｐ Ｕ 计算出盲人与前方障碍物的距离， 障碍物与盲人距离达到一定值时就通过单片机发出报 警信号。
ｘｉ、ｙ ｉ、ｚｉ（ｉ＝ １、２、３、４）分别为卫星 １、卫星 ２、卫 星 ３、卫星 ４在 ｔ时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电 文求得。
Ｖ ｔ ｉ（ｉ＝ １、２、３、４）分别为卫星 １、卫星 ２、卫星 ３、 卫星 ４的卫星钟的钟差，由卫星星历提供，Ｖ ｔｏ为接收机 的钟差。
由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 ｘ、ｙ 、ｚ 和接收机的钟差 Ｖ ｔｏ。
［（ｘ１－ｘ）２＋（ｙ １－ｙ ）２＋（ｚ１－ｚ）２］１／２＋ｃ（Ｖ ｔｉ－Ｖ ｉ０）＝ ｄ１ ［（ｘ２－ｘ）２＋（ｙ ２－ｙ ）２＋（ｚ２－ｚ）２］１／２＋ｃ（Ｖ ｔｉ－Ｖ ｉ０）＝ ｄ２ ［（ｘ３－ｘ）２＋（ｙ ３－ｙ ）２＋（ｚ３－ｚ）２］１／２＋ｃ（Ｖ ｔｉ－Ｖ ｉ０）＝ ｄ３ ［（ｘ４－ｘ）２＋（ｙ ４－ｙ ）２＋（ｚ４－ｚ）２］１／２＋ｃ（Ｖ ｔｉ－Ｖ ｉ０）＝ ｄ４ 上述四个方程式中待测点坐标 ｘ、ｙ 、ｚ和 Ｖ ｔｏ为未 知参数，其中 ｄｉ＝ ｃ△ ｔｉ（ｉ＝ １、２、３、４）。 ｄｉ （ｉ＝ １、２、３、４）分别为卫星 １、卫星 ２、卫星 ３、 卫星 ４到接收机之间的距离。 △ ｔｉ （ｉ＝ １、２、３、４）分别为卫星 １、卫星 ２、卫星 ３、卫星 ４的信号 到达接收机所经历的时间，ｃ 为 Ｇ Ｐ Ｓ 信号的传播速 度（即光速）。 四个方程式中各个参数意义如下：
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ｘ 、ｙ 、ｚ 为待测点坐标的空间直角坐标，
４ 本设计特点
关键词：盲人拐杖； ＩＡＰ １５Ｆ ２Ｋ ６１Ｓ ２单片机； 语音合成 中图分类号：Ｔ Ｐ ２９ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３－７２４１（２０１４）０４－０１１２－０５
Development and Design of the Assistant for the Multifunctional Intelligent Blind Crutch
Key words: blind crutch; IAP15F2K61S2 microLeabharlann Baiduontroller; speech synthesis
１ 引言
中国是全世界盲人最多的国家，约有 ５００万盲人，占 全世界盲人口的 １８％，由于他们看不见，行动很不方便， 出行时会遇到诸多问题［１］。现在市场上盲人所使用的拐 杖大多结构简单而功能单一，使用方便但辅助效果不很
Ｇ Ｐ Ｓ 定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间
位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方 法，确定待测点的位置［４］。假设 ｔ时刻在地面待测点上 安置 Ｇ Ｐ Ｓ 接收机，可以测定 Ｇ Ｐ Ｓ 信号到达接收机的时间 △ ｔ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可 以确定以下四个方程式：
JIANG Bin, WANG Qiang ( Computer & Electrical Engineering Department, Heilongjiang East College, Harbin 150086 China )
Abstract: Aiming at the market to provide the blind used crutches has simple structure, single function, cannot achieve good guide effect of faults, this paper takes single-chip microcomputer IAP15F2K61S2 as main controller, designs a model with GPS, GSM mobile communication, ultrasonic barrier, voice prompt function as multi-functional intelligent blind crutch assistant; The crutch can send alarm when obstacles ahead, has the function of voice control calls to communicate with family, friends, also can realize the text content with voice and make the blind to know their current location, time, weather information, such as voice remind. It is particularly prominent that family, friends, can grasp the blind through GPS location at any time, and only need to press the button when the blind happens accident, it automatically dial the emergency telephone to family soon, family can listen to the surrounding environment at any time, for the blind to achieve the purpose of convenient and safe walking. The design of the function is all ready, simple operation, low cost, strong practicability and popularization value.
（１） 超声波模块： Ｈ Ｃ－ＳＲ ０４超声波测距模块可提供 ２ＣＭ －４００ＣＭ 的 非接触式距离感测功能，测距精度可达 ３Ｍ Ｍ ； 模块包括 超声波发射器、接收器与控制电路［２］。 （２） 语音合成模块： 由于智能拐杖适用于盲人，需利用语音提示来进行 信息的输出。模块由 ＳＸ ６２８８Ａ、Ｓ Ｐ Ｉ Ｆ Ｌ ＡＳＨ 、音频功 放芯片三部分组成。Ｓ Ｘ ６２８８Ａ模块可直接驱动 ０．５Ｗ ８Ｒ 或者 ３Ｗ ４Ｒ 的喇叭，自带了 Ｄ 类放大电路由于大部 分品牌的 Ｓ Ｐ Ｉ Ｆ Ｌ ＡＳＨ 的供电电压不超过 ４Ｖ ，本系统特 别增加稳压电路，可使得模块供电范围在 ３．３Ｖ －５．０Ｖ ， 更适合不同的应用［３］ 。在无多个电源时也可共用一个 电源，但要保证电源的功率足够大，在模块电源处增加 滤波电容，减轻纹波，不能影响 Ｓ Ｘ ６２８８Ａ和 Ｆ Ｌ ＡＳ Ｈ 的 正常工作。 最 终 方 案 是 做 出 一 个 以 普 通 盲 人 拐 杖 为 基 础 ，加 上测障避障装置，手机通讯装置，Ｇ Ｐ Ｓ 定位装置，语音 识别及语音播报装置。通过上述一系列装置制成的多 功 能 智 能 盲 人 拐 杖 助 手 ，对 于 盲 人 的 出 行 安 全 有 极 大 的 保 障 ，让 盲 人 的 出 行 不 再 成 为 一 个 困 难 的 事 情 。 多 功能智能盲人拐杖助手的方案框图如图 １所示，多功
事实上，接收机往往可以锁住 ４颗以上的卫星，这 时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 ４颗， 然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提 高精度。
图 １ 多功能智能盲人拐杖助手的方案框图
图 ２ 设计实物图
图 ３ 定位信息图
３ 多功能智能盲人拐杖助手的设计原 理
３．１ 超声波报警部分
超声波模块原理图如 ４所示，他的基本工作原理：
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能智能盲人拐杖助手的设计实物图如图 ２所示，使用 者语音控制定位信息如图 ３所示，该信息会自动通过 语音播报方式播出。
２ 多功能智能盲人拐杖助手的设计方 案
多功能智能盲人拐杖助手主要利用单片机技术，设 计研发一款能 Ｇ Ｐ Ｓ 自动定位与超声波测障等多功能的 智能收缩拐杖。拐杖杆上部分和手把为中空，内部设计 有以单片机为主控器件的 Ｇ Ｐ Ｓ 模块、超声波测障模块 和语言提示模块电路，拐杖的头部有警示灯和扬声器。 通过操作拐杖头上相应的按钮，可以对当前拐杖所处地 理坐标位置进行语音读出； 当遇到前方 １ｍ 内的障碍物 时，其内部蜂鸣器自动报警； 过马路时或遇到紧急情况时 可以手动按动对应按钮进行灯光闪烁和声音警示报警。 当来电话时盲人可语音控制接电话并可语音打出指定 电话，通过语音合成模块可实现语音读短信、语音播报 天气等。