基于STM32單片機(jī)的多功能智能盲人拐杖設(shè)計(jì)

基于STM32單片機(jī)的多功能智能盲人拐杖設(shè)計(jì)摘要：針對(duì)盲人出行安全問題，設(shè)計(jì)一款解決盲人出行困難的智能拐杖。本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為控制核心，結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)且較為成熟的信號(hào)處理算法、傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)，通過超聲波模塊進(jìn)行廣角測(cè)障利用語音播報(bào)模塊報(bào)警，引導(dǎo)盲人及時(shí)規(guī)避障礙物。同時(shí)采用MPU6050水平檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)拐杖與地面的傾角，在出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，不僅可以通過語音模塊識(shí)別求救，還可以用短信的方式將GPS的實(shí)時(shí)定位位置發(fā)送給監(jiān)護(hù)人。此外，采用OPENMV4進(jìn)行機(jī)器視覺圖像分析，使拐杖能對(duì)外界變動(dòng)的信息做出應(yīng)答，為盲人通過路況復(fù)雜的紅綠燈路口提供保障?，F(xiàn)測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度較高，操作方便，且功能易于擴(kuò)展，能滿足盲人出行的多方面需求。關(guān)鍵詞：盲人拐杖；紅綠燈識(shí)別；超聲波測(cè)距；跌倒報(bào)警項(xiàng)目名稱：“無憂出行”智能盲人手杖裝置設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：202010214020，國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目1概述針對(duì)盲人出行安全問題，現(xiàn)有的輔助盲人出行工具性能單一且無法普及，設(shè)計(jì)智能盲人手杖可以幫助更多盲人實(shí)現(xiàn)安全出行。隨著信息化社會(huì)的飛速發(fā)展，在基本滿足了大眾的物質(zhì)需求后，人們也更加關(guān)注社會(huì)殘障群體。相比于正常人，殘障人士的生活有諸多的不便，更需要社會(huì)對(duì)他們的理解與關(guān)注。針對(duì)盲人出行安全問題，現(xiàn)有的輔助盲人出行工具性能單一且無法普及，設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)控制的集超聲波測(cè)障、語音播報(bào)、紅綠燈識(shí)別、短信報(bào)警、GPS定位等功能于一體的智能拐杖系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)周邊情況,保護(hù)老人安全出行。2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)距模塊傳送來的信號(hào)，對(duì)信號(hào)處理后，進(jìn)行避障決策判斷。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，手杖自動(dòng)報(bào)警（語音和機(jī)械振動(dòng)雙重模式）提示盲人避障。同時(shí)，用圖像分析技術(shù)識(shí)別并篩選外界信息，構(gòu)造合理的內(nèi)部控制邏輯，組建紅綠燈決策功能，另外，還有一鍵求助和黑夜防撞等特色功能，進(jìn)一步提高盲人出行安全系數(shù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3硬件部分系統(tǒng)硬件部分主要由超聲波測(cè)距、紅綠燈決策、以及跌倒報(bào)警裝置三大方面組成。通過相應(yīng)的傳感器，例如超聲波模塊、OPENMV4、MPU6050與單片機(jī)相連接對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，判斷是否存在障礙物、是否為紅燈、老人是否跌倒等狀況并發(fā)出警報(bào)。3.1超聲波模塊選用US-100與HC-SR04兩個(gè)測(cè)距模塊，減小了兩個(gè)同型號(hào)超聲由于距離較近產(chǎn)生干擾。超聲波工作原理是超聲波模塊發(fā)出一定頻率的超聲波，超聲波遇到物體發(fā)生反射，返回到發(fā)射處可以被模塊檢測(cè)到。其優(yōu)點(diǎn)是不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響且具有較寬的電壓輸入范圍、工作穩(wěn)定。使用時(shí)將其設(shè)定的檢測(cè)范圍為前方0.6米內(nèi)是否有障礙物，當(dāng)0.6米內(nèi)有障礙時(shí)通過語音播報(bào)提示盲人。3.2角度傳感器模塊選用整合性6軸運(yùn)動(dòng)處理組件（MPU6050）作為測(cè)量上肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的傳感器，傳感器模板電路原理圖如圖2。其內(nèi)置慣性測(cè)量單元包含三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，具有數(shù)字輸出、精度高、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，輸出角度值更為精確，并且可大大簡(jiǎn)化評(píng)定儀器的結(jié)構(gòu)。通過測(cè)量拐杖和水平面的夾角來判斷是否發(fā)生摔倒事故，當(dāng)接近傾斜極限時(shí)，并持續(xù)保持極限狀態(tài)時(shí)，GPS定位系統(tǒng)發(fā)揮作用，利用GSM模塊將位置信息發(fā)送至監(jiān)護(hù)人手機(jī)。圖2MPU6050原理圖3.3紅綠燈決策模塊選用OPENMV4的M12（10m焦距可調(diào)）攝像頭作為外界信息獲取、處理、發(fā)送和反饋的主要媒介。通過高級(jí)語言MicroPython腳本，憑借高級(jí)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)處理機(jī)器視覺算法中復(fù)雜的輸出。同時(shí)，搭配語音合成器實(shí)現(xiàn)紅綠燈決策功能。首先利用OPENMV4對(duì)路口種類繁雜的信息量進(jìn)行數(shù)字化處理，當(dāng)攝像頭識(shí)別到與預(yù)設(shè)顏色、高度、角度等參數(shù)近似相符的信息后，依據(jù)程序腳本進(jìn)行邏輯決策，驅(qū)使語音合成器工作，用語音引導(dǎo)盲人行過紅綠燈路口。4軟件部分4.1超聲波部分軟件設(shè)計(jì)：US-100、HC-SR04測(cè)距模塊是通過超聲波遇到物體發(fā)生反射，并將物體距離傳給超聲波，若物體距離大于給定值60cm，則調(diào)用語音模塊提示“前方有障礙物”。4.2跌倒部分軟件設(shè)計(jì)MPU6050運(yùn)動(dòng)組件檢測(cè)拐杖的傾斜狀態(tài)，通過AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，上傳至STM32芯片進(jìn)行信息處理，如果大于預(yù)設(shè)值則通過gps收集位置信息通過sim800c發(fā)送短信。4.3紅綠燈決策過程軟件設(shè)計(jì)盲人拐杖開始運(yùn)行，OPENMV4即刻開始工作。利用Python語言邏輯編程，預(yù)設(shè)可視顏色的閾值、可識(shí)別范圍、參照高度等固定參數(shù)，通過攝像頭聚焦并提取可視范圍內(nèi)的信息。對(duì)比預(yù)設(shè)參數(shù)，若識(shí)別到對(duì)稱信息，在一定時(shí)間內(nèi)迅速框選目標(biāo)，并在目標(biāo)中心點(diǎn)定位，以便對(duì)變化的信息及時(shí)做出應(yīng)答。此時(shí)，可確定盲人即將進(jìn)入紅綠燈路口，令OPENMV4與語音合成器通信，控制語音合成器播報(bào)對(duì)應(yīng)信息，對(duì)盲人做出適當(dāng)引導(dǎo)。此過程的軟件流程圖設(shè)計(jì)如下圖所示。5結(jié)束語本設(shè)計(jì)是一款基于STM32單片機(jī)的智能盲人拐杖裝置，本裝置以解決盲人出行的實(shí)際問題為出發(fā)點(diǎn)，從多方面考慮設(shè)計(jì)了跌倒報(bào)警、紅綠燈識(shí)別、超聲波測(cè)障等部分。能夠使老人做到真正的出行無憂，經(jīng)過實(shí)際操作證明，該裝置操作方便、性能穩(wěn)定、能較好的滿足盲人的出行需求，但仍需進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)外形等方面、具有較高的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)：[1]孫正陽，屈志峰，萬宏強(qiáng)，楊雪芳，張晨輝.多功能智能拐杖創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2020(14):17-18.[2]張博文，馬德彬，宋永旭，戚翔琛.OpenMV的紅綠燈識(shí)別測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,