关键词：智能拐杖；GSM通信；语音识别；GPS定位；单片机；安全出行
引言
本文介绍的一种多功能智能盲人拐杖的实现方法，这种多功能智能盲人拐杖应用了GPS、语音功能、超声波、线性传感器以及APP等新技术，能够实现对前方障碍物实时探知报警、位置等信息的语音提示等功能。GPS功能和语音功能可规划出行的路线，引导盲人到达目的地。超声波探测障碍物，保障盲人的安全。线性传感器的伸缩功能，方便盲人上下楼梯；求救功能，可在紧急情况下发送求救信号。该多功能智能盲人拐杖以AT89S51单片机为核心，采用低成本、高精度、微型化硬件和软件相结合的设计方法，其设计和实现方法如下。
1概述
21世纪的中国各地人口老龄化现象日益明显，外出出行及运动是新世纪老年人的生活理念，但另一方面摔倒也是老年人经常发生的意外，严重影响了老人的身心健康。考虑到老年人对拐杖的需求，设计了一款基于STM32单片机控制的集环境信息显示、语音识别、短信报警、GPS定位等功能于一体的智能拐杖系统，能够实时监护使用者的行走状态及周边情况，综合采集信息进行多方面显示。系统可适用于居民小区或社会福利站等小型社区的老年人群体，并可以进行功能扩展，应用到单独个体使用，达到应用到日常生活中的作用。
2系统硬件设计
1）超声波测距模块超声波测距模块的工作原理是使用超声波发射模块发射超声波，当确定发射模块已经开始工作时，利用软件进行计时，当超声波接收模块收到超声波在空气中碰到障碍物返回来的反射波后，程序便立刻停止计时，这样就可以得到发射超声波和接收回波的时间差△t，将空气中超声波的传播速度设为v，然后利用S=v·△t/2，就能够计算出超声波模块发射点距障碍物的距离S，即时间差测距法。设计中，当测距按键被按下后，启动超声波测距模块，该模块可实时检测前方障碍距离，当前方障碍小于30cm时，语音播报“前方有障碍”，从而帮助使用者避开障碍。2）单片机模块单片机模块为核心模块，采用AT89S51单片机芯片来控制其他模块的运行。AT89S51是一个低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。3）语音识别模块选用LD3320模块。系统主控上电后首先进行各项初始化，经过初始化后SD卡文件系统会在SD卡中寻找sys－tem.ini配置文件，将里面的字段进行拆分后提取，送给LD3320相关寄存器，随后把关键字句列表和长度信息传送给LD3320并启动识别过程，当识别成功后串口会发出响应的返回值参数，并且按照用户需求可以指定需要解码的音频文件，经过LD3320进行MP3文件解码输出。4）障碍物报警模块该模块使用超声波测距，利用发射器发射超声波，同时单片机开始计时，当超声波接收器接收到障碍物反射的回波后，单片机停止计时。这段时间为Δt，将空气中超声波的传播速度设为v，利用s=v×Δt，就能够计算出超声波模块发射点距障碍物的距离s。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该模块可实时检测距前方障碍物的距离，当测量值小于程序中设定的安全距离时，系统会语音提示使用者。5）电子罗盘指南模块地磁场可以被看作是一个矢量，它对于一个固定的地点来说可以被分解为两个分量，分别是垂直于当地水平面分量和平行于当地水平面的分量。若放置罗盘的位置和当地的水平面平行，那么水平方向的两个分量的矢量和总是指向磁北的。将磁北和当前方向的夹角定义为电子罗盘的航向角，当水平放置电子罗盘时，航向角可以通过磁力计水平方向两轴的检测数据来计算，并且航向角的变化范围为0~360度。设计中，为了帮助使用者能够更好地辨识方向，使用了HMC5883L数字罗盘对方向进行识别。当方向辨别按键被按下后，可通过语音对使用者的当前方位进行播报。
3系统软件设计
软件设计采用模块化思想，正常情况下，系统处于待机状态。当使用者需要帮助时，可以按下所需服务的按键，微处理器会对按键状态进行实时检测并进行处理，然后启动相应的模块，完成要求的功能。障碍检测按键被按下时，微处理器向超声波模块RX引脚发送10μs脉冲触发信号，模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，检测到回波后，模块将输出一个回响信号，通过回波信号与回响信号时间间隔，在程序中利用时间差测距法，计算出障碍物距离，当测量值小于程序中设定的安全距离时，调用语音播报程序进行语音提醒；方位检测按键被按下时，调用电子罗盘方位检测程序，微处理器通过I2C通信协议读出罗盘内部8位测量数据，根据之前测定的各方位数据范围，使用软件判断方位，并调用语音程序进行方位播报；拨打电话按键被按下时，微处理器通过向串口发送AT指令，控制GSM通信模块工作，实现向程序中设置的号码拨打电话的功能；报时按键被按下时，微处理器使用SPI通信协议读出DS1302的RAM中存储的时间数据，调用语音程序播报时间；同时，使用12864液晶屏的串行传输方式显示DS1302的RAM中存储的时间和闹钟信息；微处理器与语音播报模块之间采用SPI通信方式，微处理器通过判断被按下的功能按键的类型来调用语音芯片存储地址中的相应音频，进行语音播报。
4功能测试
通过分别按下四个按钮，检测相应模块的功能。（1）第一个按钮是定位系统启动键，按钮按下时可以进行语音的录入，通过语音的识别在系统里进行具体的定位和路线的规划，规划完后可以再次通过语音系统进行播报，语音信息可以通过无线或蓝牙进行传输。（2）第二个按钮是超声波传感器启动键，按钮按下启动时对周围环境的检测，当前方半径0.5米的范围内有障碍物时，会用震动方式作为提醒信号。（3）第三个按钮是线性传感器启动键，按钮按下时启动自动伸缩的功能，便于使用者上下楼梯。（4）第四个按钮是紧急信息启动键，按钮按下启动时，定位系统会同步工作，定位所在的位置，并发送位置信息到指定手机客户端，以实现求救的功能。
结语
针对老人和盲人日常出行不便等问题，本文设计实现的多功能智能拐杖能够为老年人提供行走支撑、实时监控、及时求救等功能，为盲人提供障碍物提醒、告知盲人当前的方位和时间、紧急情况下向家人求助等功能。符合老年人的需求，使老年人拥有一个健康安全的晚年。同时能够提醒盲人前方路况，帮助他们避开障碍物，告知他们所处位置，有助于盲人出行，降低事故发生的概率，保证他们的人身安全。本设计克服了传统拐杖结构简单、功能单一、无法实时监控、及时求救的弊端，可对老年人出现意外情况及盲人出行等问题提供一定的帮助。
参考文献
[1]朱伟，万福成，杨土明.老年人拐杖的智能设计研究[J].长江大学学报（自科版），2014，11（22）：61-63.
[2]贾丹平，王岩，王阳，等.多功能盲人智能拐杖的设计[J].电子设计工程，2016，24（14）：136-138.
论文作者:陈真 陈恩泽 李铁静
论文发表刊物:《科学与技术》2019年13期
论文发表时间:2019/12/5
标签：模块论文; 超声波论文; 盲人论文; 障碍物论文; 拐杖论文; 按下论文; 语音论文; 《科学与技术》2019年13期论文;