张彬 王石 蔡程飞 李心语 尹衍玉
关键词：
超声波传感器；
导盲杖；
OneNET；
语音合成；
微信小程序
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2023）20-0132-03
0 引言
视觉障碍使盲人的活动受到很大的限制，导盲产品作为能够便利出行的重要工具，能够协助视障人士安全出行，更好地融入社会[1]。本文设计的智能导盲杖，通过STM32主控，采用温度传感器测量温度、超声波传感器监测是否存在路障，通过蜂鸣器和语音播报模块语音播报，采用光敏传感器检测光照强度，采用GPS模块定位并通过ESP8266上传数据至OneNET云平台，方便第三方查看位置。
1 系统总体设计
本设计的智能导盲杖系统中主要由STM32主控部分、超声波测距模块、测温模块、语音播报模块、光敏模块、蜂鸣器模块、GPS模块、Wi-Fi模块、OneNET 云平台和小程序模块组成。导盲杖以STM32单片机为核心控制各个模块[2]。超声波模块用于检测是否有障碍物，语音播报模块用于语言播报当前环境温度和提示障碍物，测温模块用于测量环境温度，蜂鸣器模块用于障碍物报警，光敏模块用于测量当前光照强度，判断当前是否处于黑夜，黑夜亮LED灯，GPS用于定位当前位置，Wi-Fi模块用于将数据上传至OneNET 云平台。小程序模块用于第三方位置查看。系统整体组成结构如图1所示。
2 系统硬件设计
系统主要由STM32主控部分、超声波测距模块、语音播报模块、光敏模块等部分组成。硬件设计中最为重要的是超声波传感器和光敏传感器。
2.1 超声波传感器
本设计需要传感器去测量障碍物，测距是本次设计的重要组成部分。从最大探测距离、方向性、响应时间、环境适应性各方面综合考虑，在精度要求不高的条件下，选用成本较低、适用于短程测量的超声波测距模块较为合适。HC-SR04超声波传感器可提供2～400cm 非接触式距离传感功能，测距精度可达3mm。HC-SR04超声波传感器包括控制电路、超声波发射器和接收器。原理图如图2所示。
2.2 光敏传感器
对外界光亮强度的检测需要用到光敏传感器。光敏传感器是一种感光器件，它把光信号转换成电信号。它的灵敏度与可见光相近，包含了红外和紫外线两种波长。光刻胶是对外界光线最敏感的部件，一般用于检测周围的光，可触发单片机或继电器。该模块可以与单片机直接连接，通过单片机来检测高电平，以探测环境光的亮度变化。原理图如图3所示：
3 终端应用设计
整体设计上，首先进行设备初始化，测量当前温度并语音播报当前温度，进行超声波测距，当距离小于设定的值时，蜂鸣器响起并语音播报，其中测距的优先级高于测温。测量光照强度，判断测量值是否为1，为1时灯泡亮蓝光，否则灯泡灭。配置Wi-Fi模块，进行ESP8266初始化，连接热点，接入云平台服务器，进行GPS数据获取经纬度，将获取的数据通过EDP协议上传至OneNET，可在云平台查看数据流。扫码进入小程序，登录OneNET账号，查看位置显示。主程序流程图如图4所示。
终端应用主要包括以下功能模块：
超声波测距模块、光敏模块、测温模块与语音播报模块和GPS模块。各模块实现的功能如下：超声波测距模块：实现路障检测，和语音模块结合可提醒盲人。
光敏模块：实现导盲杖在昏暗环境下灯光提示，提醒车辆行人避让。
测温模块与语音播报模块：通过语音播报更好地为盲人提供温度信息和路障信息等。
GPS模块：实现盲人实时定位。
3.1 超声波测距模块程序设计
传感器通过超声波来计时，超声波探头向外发送超声波，开始计时，等待检测到物体后反射回来，另一个超声波接收器探头接收返回的高电平信号，停止计时获取信号传输时间[3]。如图4流程图所示，首先进行硬件初始化，超声波开始测距，通过获取到的时间（往返距离需除以2） 利用距离=速度×时间，计算出当前距离障礙物的距离，其中超声波的传输速度约为340m/s。如果测得障碍物距离少于设定的1m，蜂鸣器响并语音播报“前方有障碍物请注意”提醒盲人注意障碍物[4]。超声波测距流程图如图5所示：
3.2 光敏模块程序设计
要实现导盲杖在昏暗环境下亮灯提醒车辆行人避让，首先进行系统初始化，模块对周边环境的光照强度进行探测，当环境光照强度低于设置阈值时输出高电平，LED检测到光敏模块输出的高电平，LED灯亮用于警示他人；
光照强度大于设置阈值时输出低电压，LED会探测到光敏模块的输出信号，LED灯熄灭。光敏模块流程图如图6所示。
3.3 测温模块与语音播报模块程序设计
测温模块中，首先进行系统初始化，然后将器件放置在周围的环境中，通过测量周围的温度来进行温度转换。分辨率为0.062 5，转换后所得的信息需要变换成电信号或其他形式的信息输出，通过语音模块转换成语音播报当前环境温度。测温的流程图如图7 所示。
语音播报模块中，首先将系统初始化，测量当前环境温度，语音播报出来，当检测到前方有障碍物时，语音播报提示[5]。当检测到障碍物和测量温度二者同时出现时，障碍物的优先级高于温度。语音播报模块流程图如图8所示。
3.4 GPS 模块设计
为获取盲人定位，需进行GPS模块设计[6]。设备上电初始化，通过模块获取卫星数据，进而获取时间经纬度信息，处理经纬度信息，判断数据是不是有用数据，若为有用数据修改GPS数据，若不是有用数据则继续获取GPS数据，将获取的GPS经纬度信息转化成地图上的经纬度信息显示[7]。GPS模块设计流程图如图9所示：
4 系统功能测试
完成系统硬件和软件的设计后，本章将对测距模块和光敏模块进行功能测试，检测设计的智能导盲杖能否实现预期功能。
4.1 测距测试
供电开机后等候，当前方障碍物距离小于设定的距离时，蜂鸣器响并且语音模块语音播报前方有障碍物，障碍物播报的优先级高于测温。打开串口助手，选择串口，波特率改为9 600，打开串口，会看到串口显示测量到的障碍物距离以及当前环境温度的具体数值[8]。数据显示如图10所示：
从表1中的测量数据中可以看出，测得的实际距离与标记距离误差不大，在规定范围内。
因为盲人属于特殊人群，报警距离也需要尽量设置得符合盲人使用，既不能太近也不能太远，要给盲人充足的时间躲避障碍物。表2通过几组距离数据分析对比挑选出了最适合的距离为1m。
4.2 光敏测试
供电开机，将器件放置在光线较暗处，传感器检测到环境光线达不到设置的阈值时LED灯亮蓝光，如图11所示。将器件放置在光线较亮的地方，LED灯不亮，如图12所示。
5 结束语
本次设计的智能导盲杖实现了基本的功能需求，设计可以帮助盲人获取环境温度检测障碍物，语音播报温度以及障碍物提示，同时若是夜晚出行，LED灯亮提醒车辆行人注意避让。GPS可以定位显示，数据可上传至OneNET云平台，第三方监护人可以通过微信小程序查询具体定位显示。
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