多功能电子导盲装置的设计

第３Ｏ卷第６期　２０１６年　１２月　齐鲁工业大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＱＩＬＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　Ｖ０１－３０　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．２０１６　

文章编号：１００４—４２８０（２０１６）０６—００６５—０３　ＤＯＩ：１０．１６４４２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｑｌｇｙｄｘｘｂ．２０１６．０６．０１５　

多功能电子导盲装置的设计　

孟庆贺，孙启林，于亚鑫，卢世斌，宋雪丽　

（齐鲁工业大学机械与汽车工程学院，山东济南２５０３５３）　

摘要：针对现有导盲器具的缺陷，设计帮助盲人行走的辅助器具，基于现有ＧＰＳ和ＧＳＭ通信、超声波检测　和光电测距等技术，核心系统为ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１￥２单片机控制系统、ＧＰＳ定位导向系统和光电无障碍测距系统、ＧＳＭ　通信技术等共同搭建的智能化平台，在外形上加入了ＬＥＤ警示灯，滚轮设计、可站立设计以及夜晚荧光等实用性　

功能。　关键词：导盲；单片机；ＧＰＳ定位；ＧＳＭ　中图分类号：ＴＰ２０５　文献标识码：Ａ　

Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍｕｌｔｉ—Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｇｕｉｄｅ　Ｄｅｖｉｃｅ　

ＭＥＮＧ　Ｑｉｎｇ－ｈｅ，ＳＵＮ　Ｑｉ—ｌｉｎ，ＹＵ　Ｙａ・ｘｉｎ，ＬＵ　Ｓｈｉ—ｂｉｎ，ＳＯＮＧ　Ｘｕｅ　ｌｉ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｑｉｌｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０３５３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｉｏｒ　ｇｕｉｄｅ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｈｅｌｐ　ａ　ｂｌｉｎｄ　

ｍａｎ　ｗａｌｋｉｎｇ　ａｉｄｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ＧＰＳ　ａｎｄ　ＧＳＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｒａｎｇｅｆｉｎｄｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｃｏｒｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｒｅｌｉｅｓ　ｏｎ　ＭＣＵ　ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１Ｓ２　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ＧＰＳ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｆｒｅｅ　ｒａｎｇｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．ＧＳＭ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ｔｏ　ｂｕｉｌｄ　ａ　ｃｏｍｍｏｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ｊｏｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ＬＥＤ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｌｉｇｈｔｓ，ｒｏｌｌｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ，ｓｔａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｎｉｇｈｔ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｕｉｄｅ　ｔｈｅ　ｂｌｉｎｄ；ＳＣＭ；ＧＰＳ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ＧＳＭ　

根据国家残联统计，目前我国失明人口约１　７００　万，老年弱视人口约２　３００万。随着我国老龄化进　

程加速，预计到２０２０年，老年人所占人口比例将达　到２０％以上，到２０５０年将达到３１％以上。我国盲　

人和弱视群体所占比例因为各种原因不断增大。　

当盲人遇到有障碍物、路面不平、陌生环境等问　题时，普通导盲器具无法准确探明，迷路时方向无法　确定，亲属不容易寻找。对于盲人和弱视群体而言，　

生活中离不开导盲杖或者其他导盲器材的帮助。通　过单片机及其配套模块设计电子导盲装置，可以很　好地帮助盲人解决生活中所遇到的问题。　１　多功能电子导盲装置主要实现的功能　

１）帮助盲人感知障碍并提醒盲人。通过测距　

传感器及其他辅助器件，可以将盲人与障碍物的距　

离通过声音频率的变化告知盲人，距离障碍物越近　

声音频率越高。　

２）使盲人的家人可以随时知道盲人的位置。　家人可以通过发短信或打电话的方式，获取一条包　

含盲人所处位置信息的短信。　

３）播报盲人行走方位，使盲人对方向感知更　

强。通过电子罗盘模块，可以实现八个行走方向的　

播报，盲人在行走时可以通过耳机听到语音提示。　

收稿日期：２０１６—０９－１８　网络出版时间：２０１６－１０—２９　基金项目：国家自然科学基金（５１４０５２５４）；国家级大学生创新创业训练计划项目（２０１５１０４３１００１）　作者简介：孟庆贺（１９９５一），男，山东菏泽人，本科生，研究方向：机械设计制造及其自动化．　通讯作者：宋雪丽（１９７５一），女，山东菏泽人，讲师，硕士，ｓ＿ｘｕｅｌｉ＠１６３．ｅｏｍ．

　齐鲁工业大学学报　第３Ｏ卷　

４）人性化的设计，如可站立、遥控寻找、滚轮　等。盲人在休息时拐杖可以直立放置，方便再次使　

用。如拐杖不慎脱手时可以通过外置的遥控器使拐　杖发出声音，方便寻找。拐杖在使用时可以斜向放　

置，使滚轮接触地面使盲人对地面感知更充分。　

５）有一键呼救功能。遇到危险时，可按下求助　

按钮，通过语音警报求助身边人，并可以立即拨打家　人电话。　

６）有一定娱乐功能，增加盲人生活乐趣。内置　

ＭＰ３模块，盲人在闲暇时可以听广播。　

２多功能电子导盲装置的组成　

２．１装置功能的实现　

多功能电子导盲装置通过ＧＳＭ模块、ＧＰＳ模　块、电子罗盘、超声波模块、红外检测模块等来实现　功能。装置系统总体组成见图１。　

图１装置系统总体组成　多功能电子导盲装置通过超声波模块来感知障　碍物并判断距离＿１　Ｊ，其基本工作原理为：采用ＩＯ口　

ＴＲＩＧ触发测距，给出至少ｌ０　ｓ的高电平信号。模　

块自动发送８个４０　ｋＨｚ的方波，自动检测是否有信　号返回。若有信号返回，通过ＩＯ口ＥＣＨＯ输出一个　

高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返　回的时间。测试距离＝（高电平持续时间×声速）÷　２。当盲人逐渐靠近障碍物时，语音模块发出的声　

音频率逐渐增加。导盲装置内置ＧＰＳ定位系统　与ＧＳＭ通信系统，ＧＳＭ通信系统与多个家庭成员　

手机绑定，实现实时定位，同时还具有防盗功能。家　属在寻人的时候只需通过手机发出一个指定短信指　

令，ＧＳＭ模块收到信息后，将信息传给　ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１Ｓ２单片机，单片机读取ＧＰＳ的定位信　

息并将其发给ＧＳＭ模块，由ＧＳＭ模块将信息回复　给发送者。家属就可以收到一条链接及经纬度数　据，在地图中打开链接、输入经纬度，就可以显示所　

要找的人当前所处的位置　］。导盲装置内置电子　

罗盘模块　Ｊ，可以帮助盲人行走。在盲人行走时，　

可以检测行走方向，并用语音播报模块通过蓝牙耳　

机将方位告知盲人　５ｊ。导盲装置下方为一个四脚　

支架，当盲人需要休息时可以让装置站立，方便再次　

使用。四脚支架侧面加装一个万向轮，盲人在行走　

时将装置斜向放置，滚轮着地，可以增加盲人对地面　的感知力，使盲人有安全感。斜向放置也更符合盲　

人习惯。导盲装置加装无线红外遥控系统　］。盲　

人在不慎丢失装置时，按下遥控器，装置自动发出声　音，便于盲人寻找。装置加装一键呼救功能，按下呼　

救按钮后，装置发出警报，寻求身边路人帮助，同时　

呼叫指定号码、通知家人。装置外壁贴防潮荧光纸，　可以在夜晚自动发光，提醒路人。装置上装有ＭＰ３　

模块，可以增加盲人使用时的乐趣。头戴式部分装　

有红外检测模块，为盲人提供更远距离的测障。在　头戴式部分加装太阳能电池板，可以实现充电。盲　

人在平时可以只使用手持式部分，在远距离出行时　可同时使用头戴式部分。　２．２硬件组成　装置主要由手持式与头戴式两部分组成，手持　

式部分（如图２所示）主体采用可伸缩设计，外壁贴　

防潮荧光膜。手柄前方加装ＬＥＤ灯，手柄内部增加　

ＭＰ３及手动呼救模块。在手柄下方集成超声波测　距、语音提示、电子罗盘、ＧＰＳ定位、ＧＳＭ数据交互　

等多种模块，以实现手持式部分的定位、测障、方向　

播报等功能。底部使用滚轮加可直立设计。头戴式　部分外形与普通安全帽相似。外部加装太阳能发电　

板，可以在行走时对头戴式部分单独充电　Ｊ，内部　

加装红外检测模块，可以为使用者提供空中障碍和　

行人检测，另外加装ＭＰ３模块。　

具体装置硬件选型如下：　

１）主控的选型　主控系统为ＩＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１Ｓ２单片机，内部处理　

采用增强型８０５１　ＣＰＵ，指令代码完全兼容传统　

８０５１。内部高精度Ｒ／Ｃ时钟，±ｌ％温飘（一０￣８５℃），　常温下温飘５‰，工作电压４．２～５．５　Ｖ，内部高可靠　

复位，８级可选复位门槛电压，彻底省掉外频率范围　

５—３５　ＭＨｚ，相当于普通８０５１的６０—４２０　ＭＨｚ。片上　

集成２　０４８字节ＳＲＡＭ，共８通道１０位高速ＡＤＣ，速　

度可达３Ｏ万７欠／ｓ。低功耗设计，３路定时器还可当　

３路ＰＷＭ或Ｄ／Ａ使用，工作温度范围０～７５℃。

　第５期　孟庆贺，等：多功能电子导盲装置的设计　６７　

控制按键区　手柄　

图２手持式部分简图　２）定位模块的选型　ＧＰＳ模块选用瑞士Ｕ—ｂｌｏｘ公司的ＮＥＯ一５Ｑ主芯　

片，此芯片为多功能独立型ＧＰＳ模组，以ＲＯＭ为基　础架构成，成本低，体积小，能确保系统在任何可接　

收到信号的位置都能有最佳的初始定位性并可以进　行快速定位，为紧急情况下的呼救节省时间。电子　罗盘模块采用ＨＭＣ５８８３Ｌ，此模块体积小，重量轻，　定向准确。　３）通信模块的选型　通信芯片采用ＳＩＭＣＯＭ公司的新型紧凑型产　

品ＳＩＭ９００Ａ，它属于双频ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块，完全采　用ＳＭＴ封装形式，性能稳定，外观精巧，性价比高，　可实现数据交互。　

４）测障模块的选型　测障模块采用红外测距与超声波测距协同作用　

的方法实现障碍的检测。超声波模块采用ＨＣ—　ＳＲ０４，该模块可提供２～４００　ｃｍ的非接触式距离感　测功能，测距精度可达到３　ｍｉｌｌ。模块包括超声波发　射器、接收器与控制电路。在头戴式部分加入光电　无障碍测距技术，可以实现２０～６００　ｅｍ测障。　

５）无线遥控模块的选型　采用ＲＦＭ２３Ｂ无线收发模块，此模块是低成　

本、高性能的ＩＳＭ频段射频收发模块。ＲＦＭ２３Ｂ模　块体积小、重量轻、灵敏度高、功率输出高，可以扩展　

通讯距离并显著改善通讯质量。内部集成天线的多　

样性以及支持跳频功能使其性能得以进一步提升。　

２．３软件组成　软件与硬件协同实现装置功能，通过ＶＣ＋＋语　言　对ｌＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１￥２单片机进行编程　Ｊ，实现对　

装置的总体控制，及ＧＳＭ模块对终端ＧＰＳ数据的　

通信。　

３小结　

多功能电子导盲装置采用了ＧＰＳ系统、ＧＳＭ系　统、电子罗盘、超声波等模块以及ｌＡＰ１５Ｆ２Ｋ６１￥２单　

片机，有效解决了盲人及弱视群体在生活中遇到的　困难。试验结果证明该装置对盲人的生活有很大的　帮助。　

参考文献：　

［１］林伟，梁家宁，李才安．便携式多功能超声波测距仪的设计与　实现［Ｊ］．电子测量技术，２００８，３１（１）：９１—９１．　［２］　张亮红，刘文怡，王红亮．基于单片机的ＧＰＳ定位系统的设计　与实现［Ｊ］．电子器件，２０１５（５）：１１８７－１１９１．　［３］曹洁，郭春禹．ＧＳＭ模块对终端ＧＰＳ数据的通信实现［Ｊ］．电子　测量与仪器学报，２０１０，２４（１１）：１０６８—１０７３．　［４］　郜莉．三维磁阻式电子罗盘的设计与实现［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨　工程大学，２００９．　［５］　黄智伟．全默学生电子设计竞赛系统设计［Ｍ］．北京：北京航　空航天大学出版社，２０１１．　［６］刘凌云，韩建伟．红外无线通信的发展与应用［Ｊ］．内蒙古科技　与经济，２０１３（２７７）：７４－７６．　［７］　闫云飞，张智恩，张力，等．太阳能利用技术及其应用［Ｊ］．太阳　能学报，２０１２（１）：４７－５６．　［８］连依萍．基于Ｖｃ＋＋的串口通信编程方法的研究［Ｊ］．硅谷，２０１３　（１４）：５６—５７．　［９］　陈艾春．基于ＶＣ＋＋串口通信［Ｊ］．黑龙江科技信息，２０１０　（１）：８２．　（责任编辑：娄峰，校对：刘辉）