基于Arduino 的智能导盲棍设计与实
现》
报告
题目：基于Arduino 的智能导盲棍设计与实现姓名：某某某
专业：XXXXX
指导教师：
成绩：
计算机与信息工程学院
20 年月
目录
1. ........................................................................... 引言
1.1 项目背景.............................
1.2 创意描述.............................
1.3 项目分工.....................
2. ..................................................................................... 相关技术介绍..................................................
2.1 Arduino 介绍............................
2.2 相关套件介绍...........................
2.3 相关项目对比. .................................................
3. ..................................................................................... 功能及总体设计...............................................
3.1功能介绍. .......................................................
3.2总体设计. .......................................................
4. ...............................................................................项目实现
4.1 超声波测距模块. .................................................
4.2 蓝牙连接模块. .................................................
4.3 语音提示模块. .................................................
4.4照明模块. .......................................................
4.5 电量提示模块. ...................................................
5. ...............................................................................产品展示
6. ...............................................................................总结与展望
参考文献. ...............................................................
附录一元器件清单. .......................................................
实训日志. ..............................................
教师评语. ..............................................
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1. 引言
1.1 项目背景
盲杖可以在盲人外出时起到避障的作用，方便盲人出行，但是，盲人使用盲杖行走时，无法感知前方一定距离内是否有障碍物，也无法感知左右方是否有障碍物，更无法提示过路行人注意规避。同时在昏暗的环境中，盲人无法自主的有效规避其他行人车辆，并且他人也无法明确的察觉盲人，所以我们需要给其他人一定的提示，以此来规避盲人。因此，制作一款智能导盲棍，补足上述缺点是非常有必要的。
本项目的智能导盲棍，设计旨在让盲人正确接收到障碍物的具体信息，并提示盲人避障，让盲人的出行更加便利[1] 。
1.2 创意描述
本项目的创新点包括一下两项：
（1）测距：智能导盲杖与普通导盲杖最大的区别就在于测距功能，为充当盲人的眼，为盲人看清各方向是否存在有障碍物。
（2）语音提示：智能导盲棍能让盲人迅速接收障碍物距离，方便盲人出行，让盲人能够在目不能视的情况下较好地感知外界环境。
（3）照明：智能导盲棍上配备灯泡起到提示路过行人规避的作用，使盲人的出行得到更加安全的保障。
（4）电量提示：由于盲人无法观察导盲杖是否处于正常工作状态，为避免电量不足导致导盲杖无法正常工作，添加的电量提示功能，帮助盲人有效得知
当前导盲杖状态。
2. 相关技术介绍
2.1 Arduino 介绍
Massimo Banzi之前是意大利Ivrea 一家高科技设计学校的老师。他的学生们经常抱怨找不到便宜好用的微控制器。2005年冬天，Massimo Banzi跟David Cuartielles 讨论了这个问题。David Cuartielles 是一个西班牙籍晶片工程师，当时在这所学校做访问学者。两人决定设计自己的电路板，并引入了Banzi 的学生David Mellis 为电路板设计编程语言。两天以后，David Mellis 就写出了程式码。又过了三天，电路板就完工了。Massimo Banzi 喜欢去一家名叫di Re Arduino 的酒吧，该酒吧是以1000 年前意大利国王Arduin 的名字命名的。为了纪念这个地方，他将这块电路板命名为
Arduino 。
随后Banzi、Cuartielles 和Mellis 把设计图放到了网上。版权法可以监管开源软件，却很难用在硬件上，为了保持设计的开放源码理念，他们决定采用Creative Commons （CC）的授权方式公开硬件设计图。在这样的授权下．任何人都可以生产电路板的复制
品，甚至还能重新设计和销售原设计的复制品。人们不需要支付任何费用，甚至不用取得Arduino 团队的许可。然而，如果重新发布了引用设计，就必须声明原始Arduino 团队的贡献。如果修改了电路板，则最新设计必须使用相同或类似的Creative Commons（CC）的授权方式，以保证新版本的Arduino 电路板也会一样是自由和开放的。唯一被保留的只有Arduino 这个名字，它被注册成了商标，在没有官方授权的情况下不能使用它。
Arduino 发展至今，有了多种型号及众多衍生控制器推出[2] 。
2.2 相关套件介绍
Arduino Uno: “Un在o”意大利语中是“一”的意思，并被用于标记1.0 版Arduino 软件（IDE）。Uno开发板和1.0版Arduino软件（IDE）为Arduino 系列的参考版本，现在已经演变为更新版本。Arduino Uno 开发板属于USB 系列Arduino 开发板中的第一个型号，并作为Arduino 平台的参考模型存在；更多有关当前、过去或过时开发板的列表，请参阅[[Main/Boards|开发板的Arduino 指数]][3] 。
超声波传感器：超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz 的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面[4] 。
蓝牙模块：蓝牙模块，是一种集成蓝牙功能的PCBA 板，用于短距离无线通讯，按功能分为蓝牙数据模块和蓝牙语音模块。蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通讯，大致可分为三大类型：数据传输模块远程控制模块等。一般模块具有半成品的属性，是在芯片的基础上进行过加工，以使后续应用更为简单[5] 。
2.3 相关项目对比
一般的导盲棍项目只有测距功能与语音提示功能，而我们的导盲棍设计多出
了电量耗尽提示功能与照明功能，更加的方便了盲人的使用。
3. 功能及总体设计
基于以上创意，需要在导盲棍上添加一些模块，在避障的同时进行语音提示，在特定的情况下可以亮灯、鸣笛提示过路行人的功能。
3.1 功能介绍
该产品实现的功能有：
（1）测距功能：使用前、左、右三个超声波测距模块测量障碍物的距离。
（2）电量耗尽提示功能：接通电源后，点击按钮，蜂鸣器会发出提示音，
若是没有就表示电量耗尽。
（3）语音提示功能：使用蓝牙模块将信息传输到手机，然后通过手机app 提示
盲人前方多远有障碍，与左右方向是否有障碍。
（4）照明功能：在夜间以及其他一系列的昏暗的环境中会点亮导盲杖上
的灯。
3.2 总体设计根据上述功能，将项目对应的四个部分分别进行设计：测距部分、电量提示部分、语音提示部分和照明部分。
3.2.1 整体框架图
项目整体框架图如图3-1 所示。uno板通过信号控制超声波传感器检测障碍物距离，并返回给uno 板，然后经过判断之后将数据通过蓝牙模块传输给手机
app。uno 板读取来自光敏电阻的阻值，在uno 板上经过阻值大小的判断，然后来控制小灯泡的开关。uno 板通过读取按钮是否被点击来控制蜂鸣器发声。
图3-1 整体框架图
3.2.2 系统流程图
系统流程图如图3-2 和图3-3 所示。
在uno 板上系统首先通过判断按钮状态的开关来决定来决定接下来的过程，如果开启，则蜂鸣器发声，开始读取光敏电阻的阻值，并进行判断然后决定灯泡的开关，同时判断蓝牙是否在连接来决定是否测距并且发送信息到手机。
图3-2 arduino uno 开发板流程图
在手机端上系统首先进行连接蓝牙，然后开始一个循环，如果接收到信息则根据信息判断，在手机上发出不同的提示音，然后判断是否结束循环，来决定是否继续接收信息。
3.2.3 总电路图
系统总电路图如图3-4 所示，通过面包板将超声波传感器、蓝牙模块、光敏电
阻、小灯泡、按钮和蜂鸣器接到了uno 板上相对应的串口。在下章项目实现将会分为不同模块具体介绍。
图3-4 uno 板总电路图
4. 项目实现
该项目主要有五个模块：超声波测距模块、蓝牙连接模块、语音提示模块、 照明模块、电量提示模块。
4.1 超声波测距模块
功能介绍： Arduino uno 开发板给该超声波传感器发送触发信号，这个传感 器便能自动发送并检测超声波信号， 开发板接收超声波传感器的回响信号便能测 得障碍物的距离。
元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表 4-1 所示。
表 4-1 超声波测距模块元器件清单
元器件名称
数量 超声波传感器 3
Arduino uno 开发板 1
电路图：该模块电路图如图 4-1所示。通过面包板将 3个传感器的 VCC 口 和 GND 口分别接在了一起， 然后接到了 uno 板的 5V 串口和 GND 串口。将三个 传感器的输入输出口分别接在了数字针脚的 2、3、4、5、6、7 串口。
相关代码：
digitalWrite(TrigBefore, LOW); // 通过超声波传感器对前面测距
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(TrigBefore,HIGH);
delayMicroseconds(10); //产生一个 10 微秒的高脉冲去触发 TrigBefore
digitalWrite(TrigBefore, LOW); tempBefore = float(pulseIn(EchoBefore, HIGH)); cmBefore = (tempBefore * 17 )/1000; digitalWrite(TrigRight, LOW); delayMicroseconds(2);
digitalWrite(TrigRight,HIGH); delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigRight, LOW); tempRight = float(pulseIn(EchoRight, HIGH)); cmRight = (tempRight * 17 )/1000;
digitalWrite(TrigLeft, LOW); //通过超声波传感器对左边测
距
delayMicroseconds(2); digitalWrite(TrigLeft,HIGH);
//获取超声波发送到返回的时间 //将时间计算为距离
//通过超声波传感器对右边测距 图 4-1 超声波传感器电路图
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigLeft, LOW);
tempLeft = float(pulseIn(EchoLeft, HIGH));
cmLeft = (tempLeft * 17 )/1000;
4.2 蓝牙连接模块
功能介绍：通过蓝牙模块，Arduino uno 板能够与其他设备进行蓝牙连接，本产品通过蓝牙模块与手机相连，将数据信息传输到手机app 上。手机端则通过app 进行有效的连接与交互。
元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-2 所示。
电路图：该模块电路图如图4-2 所示。将VCC 与GND 接到面包板与uno 板5V 与GND 相连的接口中，然后通过面包板将TX 和RX 口分别接入8 和9 号串口。
图4-2 蓝牙模块电路图
相关代码：
1)Arduino uno 板代码
#include
int bluetoothTx = 9;
int bluetoothRx = 8;
SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx); //定义蓝牙的方法
2）手机app程序：如图4-3 所示。在程序里定义了一个列表选择框，当选择框被点击时，会出现已连接也可以配对的蓝牙目标。当选择完成后，app 便会连接目标，并发送文本以测试与提示连接成功，并开启计时器。
图 4- 3 手机端蓝牙连接程序
4.3 语音提示模块
功能介绍：将超声波测量的距离传输进行判断，对前面的传感器的距离 进行 0-
20cm 、20-40cm 以及 40-60cm 之间进行判断，并通过蓝牙传输相应的信 息，如果超过 60cm 则不传输数据。对左边及右边则进行是否在 30cm 里中存在 障碍物，如果有则通过蓝牙传输相应的信息。
相关代码：
1) Arduino uno 板代码
if(cmBefore<=20&&cmBefore>1){
// 对前面距离进行判断
bluetooth.write("14");
} else if(cmBefore<=40&&cmBefore>20){
bluetooth.write("15");
}
else if(cmBefore<=60&&cmBefore>40){
bluetooth.write("16");
}
if(cmRight<=30&&cmRight>1){ bluetooth.write("2");
}
if(cmLeft<=30&&cmLeft>1){
bluetooth.write("3");
}
2)手机 app 程序：如图 4-4 所示。在程序初始定义一个全局变量来接 收来自蓝
牙的信息， 当蓝牙连接上后计时器便开始持续即使与接收来自 uno 板的 信息，并对接收而来的信息进行判断并播报相应的提示。
图 4-4 手机端语音提示程序
//对右边距离进行判断
//对左边距离进行判断
4.4 照明模块
功能介绍：光敏电阻在不同光线环境下的阻值会变化，Arduino uno 开发板会获取到这个电阻值，通过对其的判断，控制小灯泡的开关。在较为昏暗的环境中会电量灯泡，提示来往的车辆行人注意避让。在明亮的地方，人的可视距离较高，便可以关掉灯泡。
元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-3 所示表4-3 照明模块元器件清单元器件名称数量
光敏电阻1
小灯泡6
Arduino uno 开发板1
电路图：该模块电路图如图4-5 所示。将光敏电阻与普通电阻串联接到5V 与GND ，来保持光敏电阻的稳定性，再将光敏电阻VCC 头接在模拟针脚A5 串口，来读取数据。将小灯泡的正极接到数字针脚13 口负极接GND 来控制小灯泡的亮暗。
图4-5 照明模块电路图
相关代码：
Intensity = analogRead(A5); //读取光敏电阻的电阻值
if (Intensity>980) { //判断电阻值是否过大
digitalWrite(led, HIGH);
}
else {
digitalWrite(led, LOW);
}
4.5 电量提示模块
功能介绍：每次使用时通过对按钮的点击，蜂鸣器会发出声音来提示盲人导盲棍可以工作，如果没有发出声音，则表示电源已经没有电，需要进行更换电源。
元器件清单：该模块所需的元器件及其数量如表4-4 所示
元器件名称数量
按钮1
蜂鸣器
1
Arduino uno 开发板1
电路图：该模块电路图如图4-6所示。将按钮与普通电阻串联接到5V 与
GND，来保持按钮的稳定性，再将按钮VCC 头接在数字针脚12 串口，来读
取数据。将蜂鸣器的正极接到模拟针脚A0 口负极接GND 来控制蜂鸣器发
相关代码：
button1 = digitalRead (button);
if (button1 == 1 && button2 == 0)
{ tone(mouse,340);
delay(200);
noTone(mouse);
delay(200);
}
button2 = button1 ;
5. 产品展示
整体实物图如图5-1和图5-2所示。从上到下分别是3个超声波传感器，连接传感器与uno板的1号面包板，接在1号面包板上的蓝牙模块。接着便是uno
//读取当前按钮状态
//判断按钮是否被点击
//蜂鸣器发声
//将当前状态转为过去状态
图4-6 电量提示模块电路图
板，与在棍子另一边的电源。下方是2 号面包板上面依次接了光敏电阻、小灯泡、按钮和蜂鸣器。
图5-1 整体实物图
6. 总结与展望
在本次项目中，我们小组完成了智能导盲杖的制作。导盲杖能完成一系列的工作，给盲人带来方便，能通过传感器与蓝牙模块让盲人得知障碍物的情况，并通过照明系统能够提示路人注意规避，也可以通过电量提示来获知导盲杖是否正常工作。在本次项目中还存在一些问题，一开始对器件的了解不够深刻导致研究的方向存在一些偏差，对项目的制作出现了问题，但是经过仔细的讨论与研究后，找到了正确的方向。而本次实验中由于经费和时间等原因还有很多预想的功能未能实现，例如gps 系统的应用，在未来的研究中可以设想在导盲棍上配备gps定位系统，当盲人因为突发情况走失时，盲人的家属就可以通过gps 系统找寻盲人，于此还可配备自动发送短信系统，在盲人走出特定路线或长时间停留的时候系统
会自动发送短信给盲人的家属，提示盲人可能出现突发状况，从而避免不可预知的危
险。再未来还可以发展与之配套的盲人智能手机，可以使盲人更方便的使用智能导盲杖。
参考文献
[1] 李永华,王思野,高英，《Arduino 实战指南: 游戏开发、智能硬件、人机交
互、智能家居与物联网设计30例》,清华大学出版社,2016年10月
[2] Arduino 介绍：
[3] Arduino ：https：//
[4] 超声波传感器：超声波传感器
[5] 蓝牙模块：蓝牙模块
附录一元器件清单完成该项目所需的元器件及其数量如表6-1 所示
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