基于STM32的智能导盲拐杖

引 言

目前，市场上的导盲拐杖功能单一，无法满足盲人的需求。盲人外出时会遇到各种情况，如遇到障碍物，不清楚路况， 或者因为监护人不在而走丢等。因此，本文利用现代已有技术， 研究出一种新型导盲系统，通过软硬件结合，实现障碍物避障功能，语音提示功能，语音报时功能，角度测量防摔功能以及GPS定位功能，以帮助盲人解决出行时遇到的问题。

1 总体设计方案

本系统所构建的基于STM32 处理器的电子导盲系统主要针对盲人这一特殊人群所设计，旨在方便盲人出行，为其创造一个更加安全的环境。通过综合应用STM32 控制、超声波测距、角度测量、GPS 定位等技术来实现。STM32 控制为主控制电路 ；超声波模块可时时测量盲人在行走时前方是否有障碍物，并通过语音提示对盲人进行提醒 ；在盲人跌倒时，警报模块迅速发出声音，警示监护人；使用 GPS 进行定位，为监护人寻找盲人提供了有利条件，同时也为盲人提供了诸多方便。导盲拐杖整体设计图如图 1 所示。

2 模块设计

2.1 主控制器选择

本导盲系统采用STM32 作为主要的控制电路，STM32 控制器相较于 51 单片机，拥有主频率更高、处理能力更强、耗能低、成本低等特点，是一款性价比较高的嵌入式处理器。同时还具有 PWM、DA、AD 等常用外设，使用方便，只需32.768 kHz 的晶振频率和 3 V 的电压即可工作。

2.2 超声波避障模块设计

利用超声波避障的好处在于测量方式简单，易于实现， 成本低，覆盖面广。超声波避障模块的原理与雷达测物的原理极为相似，超声波发射器从某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物时发出的超声波会立即返回，超声波接收器接收被反射回的超声波则计时停止。由 s=tv/2就可计算出障碍物的距离。本设计采用HC-SR04超声波传感器，该模块性能稳定，测距精准。

STM32 主控制电路发送 40 kHz 的脉冲信号，超声波发射器发射信号后，经超声波换能器处理后转换为超声波信号， 当探测到前方的障碍物时，将超声波所测得的距离发送给语音模块，从而提醒盲人成功避开障碍物。

2.3 角度测量防摔模块

角度测量防摔模块应用角度传感器来测量角度。当盲人行走，由于地面不平导致盲人身体倾斜或将摔倒时，当角度探测小于 30 ，则认为盲人即将摔倒，角度测量器把信息传给警报模块，警报模块发出警报，通知监护人，由监护人迅速将盲人扶稳。

2.4 警报模块

警报模块将蜂鸣器与角度测量模块相结合，为监护人提供盲人的信息。当角度测量器检测到拐杖的角度小于 30 时， 此时，STM32 主控制电路启动蜂鸣器，提醒监护人。蜂鸣器电路如图 2 所示。

2.5 GPS模块设计

GPS 技术从根本上解决了定位问题。由卫星不间断地发送自身星历参数和时间信息，用户接收到信息后，经计算，求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

在设计 GPS 模块 时， 考虑到定位的精确性， 选用SIM808GPS 传感器模块。此模块的优点在于覆盖范围广，开发板设计小， 易于安装， 模块主要包括主机、接收机和电源三部分。电源模块主要与 STM32 主处理器相连， 通过STM32 为其供电，可使GPS 模块正常使用；接收机主要接收经纬度信息，将数据发送至主机。通过接收到的经纬度信息判断盲人所处的具体位置。

2.6 语音提示模块

考虑到产品的对象为盲人，因此本设计加入语音提示模 块及语音时间播报功能，主要对盲人进行语音提醒。语音模 块与超声波测距模块相结合，可时刻提醒盲人前方障碍物的 情况。由于盲人在出行时无法知道时间，因此设计有定时播报 时间。语音芯片采用 SYN6288 中文芯片，此芯片具有低功耗， 接口简单，性价比高等优点。STM32 主控制器的串行接口与 SYN6288 语音芯片通信，对其发送控制命令和文本，然后语 音芯片将接收到的文本合成为语音芯片信号输出。

2.7 电源模块

电源模块主要是为整个导盲系统提供电源，使其可正常工作。在设计电源模块时，由于 GPS 耗电量较大，不仅要考虑节能，还要考虑用电量的问题，因此采用可充电的镍镉电池。

3 软件设计

3.1 超声波检测流程图

超声波测距是本系统的一个重要部分，其测距软件流程如图 3 所示。

先将系统初始化，启动超声波模块发射超声波，同时计时器开始计时，看接收器能否接收到回波，若没有接收到回波， 则继续采集数据，计数器继续工作 ；若接收到回波，则计数器 停止工作，并将数据传递给计算器，由于超声波模块测距与 温度有关，因此需要在存储数据前对其进行温度修正，方可得 到比较精确的距离。 

3.2 跌倒检测告警流程图 

为防止盲人将跌倒时监护人未发现的情况出现，在程序中 设定了相应程序，即盲人在行走时，角度测量器判断拐杖的角 度是否小于 30°，若不小于则继续测量，若小于 30°，则认为 盲人将摔倒，此时 STM32 主处理器启动蜂鸣器，从而使监护 人迅速意识到盲人的情况。图 4 所示为角度检测流程图。

4 结语

本系统的优点在于角度传感器可检测拐杖状态，当盲人不慎摔倒时，系统立即启动蜂鸣器告知盲人当前的情况，使监护人迅速反应搀扶盲人。当遇到障碍物时通过超声波测算障碍物距离进行语音提示，提示盲人自身位置与障碍物间的距离，通过GPS 对盲人进行精确定位，从而获得盲人的精确位置，防止其走丢。本设计具有成本低，障碍物检测精度高，跌摔检测可靠等优点，可满足盲人朋友的需求，便于推广使用。