基于STM32微处理器及GPS的智能导盲手杖的设计

基于STM32的盲人导航系统设计随着科技的不断进步，盲人生活中的很多问题也得到了一定的解决和改善。

盲人导航系统便是其中之一。

该系统可以帮助盲人更加自由地进行出行，提高他们的生活质量。

在这篇文章中，我们将介绍基于STM32的盲人导航系统的设计原理和实现过程。

一、系统概述盲人导航系统是一种通过语音提示或者震动提示，帮助盲人进行导航的设备。

该系统可以利用声纳或者激光传感器进行环境感知，并通过定位算法确定盲人的位置和方向，从而给出相关的导航信息。

基于STM32的盲人导航系统将通过该芯片的强大功能和灵活性，实现高效、稳定和低功耗的盲人导航解决方案。

二、系统设计1. 硬件设计基于STM32的盲人导航系统的硬件设计主要包括STM32芯片、超声波传感器、震动提示模块、语音提示模块、电池管理模块等部分。

STM32芯片作为主控制芯片，负责接收传感器采集的数据，并进行数据处理和导航算法的实现。

超声波传感器用于环境感知，震动提示模块可以通过震动方式向盲人传达导航信息，语音提示模块则可以通过语音方式进行导航信息的传达。

电池管理模块用于管理系统的电源供给，保证系统的稳定运行。

三、系统实现基于STM32的盲人导航系统的实现主要通过以下步骤：1. 硬件连接：将各个模块按照设计要求连接到STM32芯片上，并进行相应的电源供给和信号连接设置。

2. 软件开发：针对系统设计的软件部分进行开发，包括系统初始化、环境感知、定位算法、导航信息处理等模块的编写。

3. 调试和测试：将软件部分烧录到STM32芯片上，并进行系统的调试和测试，检测系统的功能和性能是否符合设计要求。

四、系统优化在系统实现的过程中，还可以对系统进行一定的优化，以提高系统的性能和稳定性。

例如可以通过优化定位算法，提高盲人的定位精度；优化语音提示模块的语音库，提高语音提示的清晰度和准确度；优化电池管理模块，延长系统的使用时间等。

五、系统应用基于STM32的盲人导航系统可以应用于盲人的日常生活中，帮助他们更加方便、快捷地进行出行。

DOI:10.19551/ki.issn1672-9129.2021.10.028浅析一种基于STM32智能导盲拐杖钟㊀典(西华师范大学㊀四川㊀南充㊀637009)本文系西华师范大学2020年省级创新创业训练计划项目 Blind's Dawn盲人智能指引手杖 的阶段性成果㊂项目编号:S202010638095摘要:针对当前市场存在的结构简单㊁智能化程度低导盲拐杖市场㊂本文以STM32为主控芯片,设计了一种新型智能盲板,解决了盲人出行不便的许多问题㊂智能导盲拐杖能够实时获取盲人行走时的定位信息,利用超声波系统检测盲人周围的障碍物信息㊂当盲人行走时,可以通过声光报警提醒路人㊂盲人的位置信息可以通过GPS调用百度地图获取,位置信息和障碍物信息可以通过语音模块播放㊂通过实际应用,可以给盲人带来更好的方便,使用简单,成本低廉㊂关键词:STM32微处理器;GPS定位;智能拐杖;安全方便中图分类号:TH789㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1672-9129(2021)10-0029-01㊀㊀1㊀智能导盲拐杖的总体设计基于STM32处理器的盲人导盲拐杖是专为盲人设计的,旨在为盲人出行提供方便,为盲人创造一个更安全的出行环境㊂它是通过应用STM32控制㊁超声波测距㊁测角㊁GPS 定位等技术实现的㊂STM32控制主控制电路,超声波模块可在盲人行走时随时检测前方是否有障碍物,并通过声音提示提醒盲人㊂当盲人摔倒时,报警模块会迅速鸣响提醒监护人㊂GPS定位为监护人寻找盲人提供了良好的条件,也为盲人提供了很多便利㊂2㊀系统硬件设计智能手杖主要由手杖结构和硬件电路组成㊂导盲手杖具有中空㊁重量轻㊁简单方便等优点,硬件电路包括主控制电路和各功能模块㊂2.1STM32主控模块㊂系统采用STM32作为主控制电路㊂STM32的主控模块不仅实现了系统的控制功能,还具有存储盲人行走轨迹的功能㊂STM32控制器具有频率高㊁处理能力强㊁能耗低㊁成本低等特点㊂它是一种高性价比的嵌入式处理器㊂该系统采用单片机作为主控芯片,实现了动态功耗与处理性能的最佳平衡,并存储了盲人行走的跟踪数据㊂2.2避障模块㊂避障模块由一个超声波距离传感器和三个红外避障传感器组成㊂超声波测距传感器安装在拐杖顶部,用于探测前方的障碍物㊂安装在拐杖底部的三个红外避障传感器,用于探测用脚向前行走范围内的障碍物,以避免碰撞㊂超声避障具有测量方法简单㊁实施方便㊁成本低㊁覆盖范围广等优点㊂超声避障模块的原理与雷达测量非常相似,STM32主控电路发送40KHz脉冲信号㊂信号由超声波发射器发射,经超声换能器处理后转换为超声波信号㊂超声波在空气中传播㊂当前方检测到障碍物时,超声波测量的距离被发送到语音模块,提醒盲人成功避开障碍物㊂2.3GPS定位模块㊂GPS技术从根本上解决了定位问题㊂卫星不断地发送它的参数和时间信息㊂在接收到信息之后,用户计算接收机的三维位置㊁方向㊁速度和时间信息㊂在GPS模块的设计中,考虑到定位精度,加装传感器模块㊂具有覆盖范围广㊁设计紧凑㊁安装方便等优点㊂该模块由主机㊁接收机和电源组成㊂电源模块主要与STM32主处理器相连,通过STM32主处理器可以正常使用GPS模块㊂接收机主要接收经纬度信息,并将数据发送给上位机㊂导盲拐杖的准确位置由接收到的经纬度信息决定㊂2.4角度测量防摔模块㊂测角防摔模块,内置惯性测量单元,包括三轴陀螺仪和三轴加速度计,测角用角度传感器㊂它具有输出精度高㊁功耗低㊁可靠性高㊁输出角度值更准确等优点,大大简化了传感器的结构㊂盲人走路时,地面不平,导致他倾斜或摔倒㊂通过监测与水平面的夹角,来判断盲人是否摔倒㊂当倾斜极限接近极限状态时,GPS定位系统工作,并通过GSM模块将位置信息发送到监护人的手机上㊂2.5语音提示模块㊂考虑到产品的对象是盲人,本设计增加了语音提示模块和语音时间广播功能,主要用于盲人的语音提醒㊂语音模块和超声波测距模块相结合,随时提醒盲人前方障碍物㊂因为盲人时间观念较差,所以它被设计成有一个固定的广播时间㊂STM32主控制器的串行接口与语音芯片进行通信,并向其发送控制命令㊂语音芯片对接收到的控制命令进行合成并输出语音芯片信号㊂2.6GSM模块和紧急按钮㊂该系统模块可以很容易地控制命令进行调整㊂具有体积小㊁功能强大等优点㊂绑定在上面的手机号码和监护人的手机不仅可以发短信,还可以打电话,这样监护人就可以得到盲人的地理位置信息㊂当盲人遇到紧急情况,按下紧急按钮,向监护人的手机发送短信㊂根据预设信息,监护人可以前往盲人所在地进行救援㊂2.7电源模块㊂电源模块主要为整个工作系统提供电源,使其正常工作㊂在电源模块的设计中,由于GPS的高功耗,不仅要考虑节能,还要考虑功耗,因此采用可充电锂电池作为电源㊂3㊀系统软件功能设计系统初始化主要完成STM32端口㊁语音模块㊁GPS定位模块㊁CSM模块的初始化,使其处于待机状态㊂首先,语音提示分别设置为2m㊁1m和0.5m㊂红外模块主要检测提升过程中脚部前方的障碍物,防止盲人绊倒㊂GPS定位子程序可以随时定位盲人的位置信息,并将其存储在SD卡上进行返回导航㊂返回导航子程序根据盲人记录的行走路径和当前行走轨迹决定是否返回到原来的路径㊂当盲人在紧急情况下需要向监护人求助时,按下紧急按钮,紧急求助子程序会根据预设信息向监护人手机发送短信㊂盲人位置查询子程序接收到监护人发送给拐杖的信息后,将当前的位置信息以短信的形式发送到监护人的手机上㊂4㊀结束语本设计是一个基于STM32单片机的智能导盲拐杖系统㊂系统具有实时环境检测和语音提示功能㊂经实践应用表明,该设计操作简单,性能稳定,能够保证盲人的出行安全㊂随着研究的不断深入,智能导盲手杖可以嵌入更多的健康指标监测功能,如体温㊁运动量㊁血压等,具有较高的市场应用价值㊂参考文献:[1]姜瑾.具有定位导航和障碍规避功能的电子盲杖的设计[D].南京:北方工业大学,2016.[2]沈燕,高晓蓉,孙增友,等.基于单片机的超声波测距仪设计[J].现代电子技术,2018,35(7):126-129. [3]廖庆洪,胡婉如,曾维鋆,等.基于GPS技术与智能避障的导盲拐杖研究[J].电子技术,2017,45(11). [4]张志永,张庆辉.基于STM32的多功能智能导盲系统设计研究[J].数字技术与应用,2018(10):157-158.㊃92㊃。

基于STM32的盲人导航系统设计
盲人导航系统是一种通过声音或触觉等方式向盲人提供导航指引的设备。

本文将介绍
一种基于STM32的盲人导航系统设计。

该系统主要由STM32 微控制器、声音输出模块、触觉反馈模块以及外部传感器组成。

系统使用外部传感器（如超声波传感器或红外传感器）来检测盲人周围的障碍物。

传
感器将检测到的距离信息传输到STM32微控制器。

接下来，STM32微控制器会根据传感器的数据判断盲人行进的方向和当前位置，并计
算出最佳的路线。

STM32微控制器通过声音输出模块将导航指令以声音的形式传达给盲人。

左转时会发出左转的声音提示，右转时会发出右转的声音提示。

系统还配备了触觉反馈模块，可以通过振动或触觉来提供导航指引。

当盲人需要转弯
或有其他特殊情况时，触觉模块会向盲人发送相应的反馈信号，帮助盲人正确地行走。

整个系统的设计目标是简单、可靠且易于操作。

STM32 微控制器作为系统的核心控制
单元，具有良好的性能和稳定性。

声音输出模块和触觉反馈模块提供了多种导航指引方式，适应不同盲人的需求。

外部传感器用于检测盲人周围的环境，以确保盲人的安全。

通过合
理的设计和优化，可以提高盲人的行走能力和生活质量。

基于STM32的盲人导航系统设计能够有效地帮助盲人进行导航，并提供声音和触觉等
多种导航指引方式。

这种设计具有简单、可靠和易于操作的特点，为盲人提供更好的生活
体验。

基于 STM32 单片机的多功能智能盲人拐杖设计摘要：针对盲人出行安全问题，设计一款解决盲人出行困难的智能拐杖。

本设计以 STM32 单片机为控制核心，结合当前先进且较为成熟的信号处理算法、传感器技术、无线通信技术，通过超声波模块进行广角测障利用语音播报模块报警，引导盲人及时规避障碍物。

同时采用 MPU6050 水平检测模块监测拐杖与地面的倾角，在出现突发情况时，不仅可以通过语音模块识别求救，还可以用短信的方式将GPS的实时定位位置发送给监护人。

此外，采用OPENMV 4进行机器视觉图像分析，使拐杖能对外界变动的信息做出应答，为盲人通过路况复杂的红绿灯路口提供保障。

现测试结果表明，整个系统性能稳定，灵敏度较高，操作方便，且功能易于扩展，能满足盲人出行的多方面需求。

关键词：盲人拐杖；红绿灯识别；超声波测距；跌倒报警项目名称：“无忧出行”智能盲人手杖装置设计，项目编号：202010214020，国家级大学生创新训练项目1概述针对盲人出行安全问题，现有的辅助盲人出行工具性能单一且无法普及，设计智能盲人手杖可以帮助更多盲人实现安全出行。

随着信息化社会的飞速发展，在基本满足了大众的物质需求后，人们也更加关注社会残障群体。

相比于正常人，残障人士的生活有诸多的不便，更需要社会对他们的理解与关注。

针对盲人出行安全问题，现有的辅助盲人出行工具性能单一且无法普及，设计了一款基于STM32单片机控制的集超声波测障、语音播报、红绿灯识别、短信报警、GPS定位等功能于一体的智能拐杖系统, 能够实时监测周边情况, 保护老人安全出行。

2系统总体设计单片机实时监控测距模块传送来的信号，对信号处理后，进行避障决策判断。

当检测到障碍物时，手杖自动报警（语音和机械振动双重模式）提示盲人避障。

同时，用图像分析技术识别并筛选外界信息，构造合理的内部控制逻辑，组建红绿灯决策功能，另外，还有一键求助和黑夜防撞等特色功能，进一步提高盲人出行安全系数。

基于STM32多功能智能手杖系统设计随着我国经济的发展，越来越多的人过上了幸福的小康生活，然而，我国人口老龄化趋势愈发严重，局部地区甚至呈现人口负增长的趋势。

为保证老年人出行安全，出现意外能及时求助，通过分析远程定位系统，根据卫星定位的快速和准确性，设计了以STM32为核心处理器与传感器有机结合，实现单片机的实时控制及数据处理功能使老人的安全得到保障。

标签：STM32；老人；安全；出行1背景2000年，中国第五次人口普查结果显示，中国60岁以上人群比例已达11.21%。

2001年，65岁以上人群比例也将达到7%。

也就是说，在本世纪初中国一进入老龄化社会。

随着人们的生活水平的提高，健康观念的深入，老年人在满足自身需求后，有不断提出更高层次的休闲娱乐的要求，由于肢体运动机能的老化、认知能力下降等各方面因素，限制了老年人的活动空间和活动范围。

老年人辅助工具成为老年人生活的必备产品。

拐棍能作为助步器帮助老人行走，拐棍还能作为有视力障碍的老人的眼睛为他们的日常生活保驾护航。

因此，在当今社会，拐棍对老人的重要性不可小觑。

2智能拐杖的基本組成智能拐杖控制系统由STM32单片机、传感器、GPS定位模块、GSM模块等组成，其中以STM32为核心实现控制，从而确保老人安全。

当脉搏传感器被触发时，将信号传递给单片机，单片机发出报警信号，并通过GSM模块给手机用户发出警示信息。

除此之外，老人独自出行，若离开设定的区域也会给手机用户发送信息，遇到各种问题也可以通过求助按键给监护人发送信息，以足够保证老年人人身财产安全。

3主要功能介绍手杖主要是基于STM32芯片，结合硬件电路，以轻便简洁为核心，设计一款满足老年人出行，安全，娱乐，锻炼等需求的产品。

GPS定位功能。

有些老年人由于记性差，或遇到什么危险，迟迟不归，而家人却不知踪向，这时可以通过GPS定位系统立马找到，让老年人安全更加有保障。

SOS自动报警功能。

当老年人遇到危险，却不能及时求助时，可让手杖发出求救警告，闪光手动，也可自动，时时刻刻为老年人安全保驾护航。

第４３卷第５期２０２０年１０月电子器件ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓＶｏｌ ４３㊀Ｎｏ ５Ｏｃｔ.２０２０项目来源:北京工业职业技术学院重点科研课题项目(ＢＧＺＹＫＹ２０１８２０Ｚ)ꎻ中国农业大学烟台研究院科研基金项目(ＹＴ２０１８０５)收稿日期:２０２０－０３－２８㊀㊀修改日期:２０２０－０５－１０ＤｅｓｉｇｎｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＢｌｉｎｄＧｕｉｄｅＳｔｉｃｋＢａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２∗ＳＯＮＧＹｕ ｅ１ꎬＬＩＵＹｅｈｕｉ１ꎬＺＨＡＮＧＸｉａｏｙａｎ１ꎬＷＡＮＧＣｈｅｎｇｇｕｏ２∗ꎬＬＩＮＨａｏｎａｎ１(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＢｅｉｊｉｎｇＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００４２ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＹａｎｔａｉＡｃａｄｅｍｙꎬＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＹａｎｔａｉＳｈａｎｄｏｎｇ２６４６７０ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｆａｃｉｌｉｔａｔｅｔｈｅｔｒａｖｅｌｏｆｂｌｉｎｄｐｅｏｐｌｅꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｓａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｂｌｉｎｄｇｕｉｄｅｓｔｉｃｋｂａｓｅｄｏｎＳＴＭ３２ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｂｏａｒｄ.Ｔｈｅｂｌｉｎｄｇｕｉｄｅｓｔｉｃｋｕｓｅｓｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒꎬｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｎｄｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｏｂｓｔａｃｌｅｓꎬａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｈｕｍｉｄｉｔｙꎬｒｏａｄａｒｅａａｎｄｗａｔｅｒｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙꎬａｎｄｂｒｏａｄｃａｓｔｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｔｏｔｈｅｂｌｉｎｄｂｙｔｈｅｖｏｉｃｅｂｒｏａｄｃａｓｔｍｏｄｕｌｅ.Ｉｔｕｓｅｓｔｈｅｌｕｍｉｎａｎｃｅｓｅｎｓｏｒｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｌｉｇｈｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬａｎｄｔｕｒｎｏｎｔｈｅｌｉｇｈｔａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｌｕｍｉｎａｎｃｅｖａｌｕｅｔｏｒｅｍｉｎｄｏｔｈｅｒｓｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｂｌｉｎｄ.Ｔｈｅｂｌｉｎｄｇｕｉｄｅｓｔｉｃｋｈａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓꎬｌｏｗｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎꎬｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｕｓｅꎬａｎｄｃａｎｂｒｉｎｇｇｒｅａｔｅｒｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｂｌｉｎｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓｅｎｓｏｒꎻＳＴＭ３２ꎻｂｌｉｎｄｇｕｉｄｅｓｔｉｃｋꎻｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｏｒꎻｗａｔｅｒｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｏｒꎻｌｕｍｉｎａｎｃｅｓｅｎｓｏｒＥＥＡＣＣ:８３８０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０２０.０５.０４２基于ＳＴＭ３２的智能导盲杖的设计∗宋玉娥１ꎬ刘业辉１ꎬ张小燕１ꎬ王承国２∗ꎬ林豪男１(１.北京工业职业技术学院电气与信息工程学院ꎬ北京１０００４１ꎻ２.中国农业大学烟台研究院ꎬ山东烟台２６４６７０)摘㊀要:为方便盲人出行ꎬ基于ＳＴＭ３２开发板设计了一款新型的智能导盲杖ꎮ该导盲杖利用超声波传感器㊁温度传感器及积水探测传感器分别探测盲人前方障碍物㊁环境温度㊁路面积水情况等信息ꎬ并通过语音播报预警信息反馈给盲人ꎮ利用光照度传感器测量周围光线情况ꎬ根据光照度值自动打开灯光ꎬ提醒他人避让盲人ꎮ该导盲杖功能齐全㊁耗电量低㊁使用方便ꎬ可为盲人的出行带来更大的便利ꎮ关键词:超声波传感器ꎻＳＴＭ３２ꎻ导盲杖ꎻ温度传感器ꎻ积水探测传感器ꎻ光照度传感器中图分类号:ＴＰ２３㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０２０)０５－１１８０－０５㊀㊀据调查ꎬ目前我国有盲人１７００多万ꎬ是世界上盲人最多的国家ꎬ并且盲人人数每年都在增加ꎮ由于视力问题ꎬ盲人最大的问题是出行难ꎮ目前ꎬ引导盲人行走的方式主要有３种:(１)传统的手杖引导ꎻ(２)盲道引导ꎻ(３)导盲犬引导[１]ꎮ传统的手杖引导通过敲击地面告知盲人前方是否为可行路线ꎬ这种方式无法告知盲人周围障碍物的空间分布和距离ꎻ盲道引导存在一定的局限性ꎬ可能被占用或损坏ꎻ而导盲犬的培训周期长ꎬ成本很高ꎮ目前ꎬ我国盲人出行普遍使用的是简单的传统手杖引导ꎬ但由于缺陷很多已不能满足盲人的出行需求ꎮ部分学者也设计出了智能导盲杖㊁智能手杖[２－５]ꎬ主要利用超声波测距来识别前方的障碍物和进行位置定位ꎮ这类导盲杖能够在一定程度上帮助盲人避让前方障碍物ꎬ但如果是面部的障碍物(如悬空的广告牌㊁倾斜的树木等)则无能为力ꎮ因此ꎬ设计出一款可测量盲人前方上下障碍物距离㊁及时提醒盲人避让障碍物㊁并能适合盲人夜间行走的手杖已迫在眉睫ꎮ１㊀导盲杖的功能设计设计的导盲杖选用ＳＴＭ３２Ｆ系列单片机为微控制器(ＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＵｎｉｔꎬＭＣＵ)ꎬ可实现以下功能:(１)在导盲杖的上部和底部分别设置超声波传感器ꎬ利用超声波测距原理分别测得盲人面部和脚底离障碍物的距离ꎬ并将障碍信息通过语音播报传递给盲人ꎻ(２)在导盲杖上设置温度传感器ꎬ利用温度传感器测量环境温度ꎬ并语音播报给盲人ꎬ为盲人增减第５期宋玉娥ꎬ刘业辉等:基于ＳＴＭ３２的智能导盲杖的设计㊀㊀衣物提供参考ꎮ(３)在导盲杖上设置光照度传感器ꎬ利用光照度传感器测量环境光照强度ꎻ当光照强度小于某个阈值时自动打开导盲杖上的照明ＬＥＤ灯带ꎬ以便引起行人及车辆注意ꎬ进而避让盲人ꎮ(４)在导盲杖底部安装积水探测传感器来检测路面是否有积水ꎬ如果有积水ꎬ则进行蜂鸣器报警ꎬ进而使盲人躲避积水ꎮ在以上各功能的基础上ꎬ得到智能导盲杖的原理结构图如图１所示ꎮ图１㊀智能导盲杖原理结构图２㊀智能导盲杖的硬件设计２.１㊀微处理器在本文设计的导盲杖中ꎬ单片机选择ＳＴＭ３２Ｆ１０３微处理器ꎬ该开发板具有较低的系统功耗㊁可供选择的引脚数目ꎬ价格便宜ꎬ既能满足需要ꎬ又能降低导盲杖成本[６]ꎮ２.２㊀导盲杖杖体设计导盲杖杖体采用轻便的铝合金材质ꎬ分上下两部分ꎬ均采用可伸缩设计ꎬ以适应不同身高的盲人ꎬ展开最大高度为１.８ｍꎬ最小高度为１.２ｍꎬ可适用于２ｍ以内的盲人ꎮ杖体上下两部分用手柄连接ꎬ手柄用于盲人抓握导盲杖ꎬ内嵌微处理器㊁电源模块㊁光强度检测模块㊁温度检测模块㊁语音模块等ꎮ手柄上部３０ｃｍ㊁下部３０ｃｍ杖体不可伸缩ꎬ分别镶嵌红色ＬＥＤ灯带ꎬ光线不足时亮起ꎬ以提醒行人及车辆避让盲人ꎮ杖体中空设计ꎬ内部用杜邦线连接上部的超声波模块㊁下部的超声波模块和积水探测模块ꎬ同时节约成本和减轻整体重量ꎮ由于杖体可伸缩ꎬ故内置连线长度设置为杖体最大高度ꎮ２.３㊀超声波测距模块超声波测距模块选择ＨＹ－ＳＲＦ０５ꎬ用于测量盲人与障碍物之间的距离ꎮ模块具有２ｃｍ~４５０ｃｍ的非接触式距离感测功能ꎬ测距精度可达高到３ｍｍꎮ模块包括超声波发射器㊁接收器与控制电路[７]ꎮ测距时:(１)首先采用ＩＯ口Ｔｒｉｇ触发测距ꎬ给予至少１０μｓ的高电平信号ꎻ(２)模块自动发送８个４０ｋＨｚ的方波ꎬ自动检测是否有信号返回ꎻ(３)有信号返回时ꎬ通过ＩＯ口Ｅｃｈｏ输出一个高电平ꎬ高电平持续的时间即为超声波从发射到返回的时间ꎮ测试距离设为Ｓꎬ高电平时间设为Ｔꎬ声速为３４０ｍ/ｓꎬ则Ｓ＝Ｔ∗３４０/２(１)ＨＹ－ＳＲＦ０５超声波模块及各引脚作用分别如图２㊁表１所示ꎬ需要两个超声波模块ꎬ分别置于导盲杖的底部和顶部ꎬ都可调节高度ꎮ底部的模块根据需要可调至距离最低端１０ｃｍ至７０ｃｍ处ꎬ面部的模块可调节至面部高度ꎬ分别用以检测人的脚部和面部的障碍物ꎮ图２㊀超声波模块实物图表１㊀超声波模块各引脚作用引脚序号英文缩写作用１Ｖｃｃ电源端２Ｔｒｉｇ控制端３Ｅｃｈｏ接收端４ＯＵＴ开关量输出端５ＧＮＤ公共地２.４㊀语音合成模块及功放模块语音合成模块选择一款高性价比的中文语音合成芯片模块ＸＦＳ３０３１ＣＮＰ－ＥＶＢꎮ芯片模块可以通过ＵＡＲＴ接口接收待合成的文本ꎬ把文本合成为语音输出ꎮ导盲杖选择异步串口ＵＡＲＴ接收数据ꎮ芯片模块支持任意中文文本的合成ꎬ可以采用ＧＢ２３１２㊁ＧＢＫ㊁ＢＩＧ５和ＵＮＩＣＯＤＥ四种编码方式ꎬ并支持英文字母的合成ꎬ遇到英文单词时按字母方式发音ꎮ芯片模块具有智能的文本分析算法ꎬ对常见的数值㊁电话号码㊁时间日期㊁度量衡符号等格式的文本ꎬ并能够根据内置的文本匹配规则进行正确的识别和处理ꎮ本１８１１电㊀子㊀器㊀件第４３卷设计采用ＬＭ４９９０组成的功放电路对声音信息进行放大ꎮ整个语音合成系统结构框图如图３所示ꎮ图３㊀ＸＦＳ３０３１ＣＮＰ语音合成系统构成框图２.５㊀温度传感器模块本系统中采用ＤＨＴ１１数字温湿度传感器ꎬ它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器ꎮ其精度为温度ʃ２ħꎬ温度０~５０ħ[８]ꎮ它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术ꎬ确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性ꎬ超小的体积㊁极低的功耗ꎬ信号传输距离可达２０ｍ以上ꎬ产品为４针单排引脚封装ꎮ电路图如图４所示ꎮ图４㊀ＤＨＴ１１数字温湿度传感器典型电路图２.６㊀光照度采集模块及灯带光照度采集模块采用ＢＨ１７５０光照传感器ꎬ一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路ꎬ采用标准的Ｉ２Ｃ总线传输方式ꎮ利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化(１－６５５３５ｌｘ)ꎬ具有接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性ꎬ且对光源依赖性弱[９]ꎮ结构框图如图５所示ꎮ图５㊀ＢＨ１７５０结构框图从结构框图可容易看出ꎬ外部光照被接近人眼反应的高精度光敏二极管ＰＤ探测到后ꎬ通过集成运算放大器将ＰＤ电流转换为ＰＤ电压ꎬ由模数转换器获取１６位数字数据ꎬ然后被逻辑和ＩＣ界面进行数据处理与存储ꎮＯＳＣ为内部的振荡器提供内部逻辑时钟ꎬ通过相应的指令操作即可读取出内部存储的光照数据ꎮ数据传输使用标准的Ｉ２Ｃ总线ꎬ按照时序要求操作起来也非常方便ꎮ灯带采用发红色光的ＬＥＤ灯带ꎬ内嵌于杖体ꎬ杖体挖孔ꎬ露出灯珠ꎬ以便透光ꎮ２.７㊀积水探测传感器模块积水探测传感器模块选择物美价廉的电极式积水探测传感器ꎬ它基于液体导电原理ꎬ用电极探头探测是否有水存在ꎬ一般有两个或者三个探头ꎮ当有水时ꎬ由于液体导电ꎬ探头之间形成通路ꎬ再用控制器转换成开关量输出信号启动报警器ꎮ由于目前很多积水探测模块自带报警器ꎬ故不需微处理器控制ꎬ可供电单独使用ꎮ选择市面上已有的带蜂鸣器报警的积水探测传感器ꎬ将电源线接入电池模块ꎬ设置于导盲杖的底端ꎬ离地面１ｃｍ处ꎮ２.８㊀底部卡轮设计盲人使用普通的导盲杖时ꎬ一般倾斜导盲杖ꎬ并通过敲打地面掌握障碍物信息ꎬ长时间使用会使得手臂酸痛ꎮ倾斜的导盲杖上安装超声波测距模块ꎬ会使得模块发出的波的方向向上倾斜ꎬ不能平行于地面ꎬ这样会导致测距不准ꎮ同时ꎬ为方便盲人使用导盲杖ꎬ可以远距离行走ꎬ本设计将导盲杖底端普通的点触头替换成凹槽卡轮ꎬ其宽度略大于盲道单个突起宽度(轮距６０ｍｍ)ꎬ见图６ꎮ使用时盲人手推导盲杖ꎬ使导盲杖垂直于地面从而达到能够在盲道上大体沿直线行走ꎬ轻便省力ꎬ不用刻意维持方向ꎬ防止走偏[１０]ꎮ图６㊀导盲杖卡轮２.９㊀电源模块导盲杖采用９Ｖ的可充电电池供电ꎬ以节约成本ꎮ同时ꎬ通过电压转换模块把９Ｖ电压转换成各模块和传感器需要的５.０Ｖ或３.３Ｖ电压ꎮ由于不需要随时检测环境温度㊁光照度和路面积水情况ꎬ在向温度传感器㊁光照度传感器㊁ＬＥＤ灯带㊁积水探测传感器等模块供电时ꎬ分别设置按键开关ꎬ控制各模块电源的通断ꎮ如在想要检测环境温度时ꎬ就可以按下电源ꎬ给温度传感器供电ꎬ在程序控制下即可进行温度检测ꎮ２８１１第５期宋玉娥ꎬ刘业辉等:基于ＳＴＭ３２的智能导盲杖的设计㊀㊀３㊀软件设计软件设计采用Ｋｅｉｌ５软件开发工具ꎬ使用Ｃ语言编写程序ꎮＫｅｉｌ提供了包括Ｃ编译器㊁宏汇编㊁链接器㊁库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案ꎬ通过一个集成开发环境(ｕＶｉｓｉｏｎ)将这些部分组合在一起ꎬ生成的目标代码效率非常之高ꎬ多数语句生成的汇编代码很紧凑ꎬ容易理解[１１]ꎮ软件设计主要包括主程序㊁超声波测距子程序㊁光照度采集子程序㊁温度采集子程序及语音播报子程序组成ꎮ当面部超声波测量障碍物距离小于等于１.５ｍ时ꎬ语音播报 请注意ꎬ面部有障碍物 ꎻ当底部超声波测量障碍物距离小于等于１.５ｍ时ꎬ语音播报 请注意ꎬ底部有障碍物 ꎻ当按下温度传感器的电源开关后ꎬ温度传感器测量温度ꎬ语音播报测得的实时温度ꎬ之后可关掉温度传感器的开关ꎬ不再测温ꎮ白天时光线一般比较充足ꎬ可以选择关闭光照度传感器的电源开关ꎻ晚上或阴天光线不足时ꎬ打开光照度传感器的电源开关ꎬ测量环境光照度ꎬ当光照度小于等于３０ｌｘ(路灯照度标准)时[１２]ꎬ杖体上的ＬＥＤ灯带亮起ꎬ提醒行人及车辆及时避让盲人ꎮ在所有模块电源都打开的情况下ꎬ整个设计程序执行一次的流程图如图７所示ꎮ图７㊀系统的软件程序流程图４㊀测试结果及结论本设计经过电路实现后(见图８)ꎬ进行了相应的模拟实验ꎬ选择两边都有教室的走廊为实验场地ꎬ测试者手持木板充当障碍物ꎮ试验者蒙住眼睛手持导盲杖向前走ꎬ导盲杖在距离前方面部障碍物和底部障碍物小于等于１.５ｍ的时候发出相应的语音警告ꎮ测试者关闭两侧的教室门和走廊灯源ꎬ光线比较弱ꎬ当光强度值小于３０ｌｘ的时候ＬＥＤ灯带亮起ꎬ路人很容易看到了盲人并避让ꎮ试验者按下温度传感器电源ꎬ语音播报了现场的环境温度ꎬ关闭温度传感器电源ꎬ不再播报ꎮ在地面洒上水后ꎬ水少不报警ꎬ有１ｃｍ的积水后报警ꎮ图８㊀导盲杖简易图３８１１电㊀子㊀器㊀件第４３卷㊀㊀模拟实验验证了导盲杖的实用性和可操作性ꎬ证明该导盲杖可有效引导盲人避开上下障碍物ꎬ提醒行人及车辆避让盲人ꎬ检测温度及路面积水情况ꎬ大大方便了盲人的出行ꎮ参考文献:[１]㊀毛达许ꎬ程海玉.基于超声波的盲人导盲系统的设计[Ｊ].科技世界ꎬ２０１５ꎬ１８:１３１.[２]孙二杰ꎬ汪东军ꎬ石震ꎬ等.超声波智能导盲杖的设计[Ｊ].计算机系统应用ꎬ２０１５ꎬ８:２７３－２７６.[３]张仁朝ꎬ王高原ꎬ罗政杰.基于单片机控制的智能导盲杖设计[Ｊ].电子制作ꎬ２０１９ꎬ２１:３１－３３.[４]张昂ꎬ黄立勤.基于机器视觉的导盲杖辅助识别系统设计[Ｊ].贵州大学学报(自然科学版)ꎬ２０１９ꎬ３６(６):６３－６７.[５]赵志杰ꎬ何赫ꎬ王延文ꎬ等.多功能北斗智能手杖的研究与设计[Ｊ].电子器件ꎬ２０１８ꎬ４１(６):１６２２－１６２６.[６]缪燕.基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３的噪声频谱分析仪软件系统设计实现[Ｄ].长沙:湖南大学ꎬ２０１３.[７]陈骏.基于超声波测距与控制的运动实验平台研发[Ｄ].南京:南京邮电大学ꎬ２０１７.[８]韩丹翱ꎬ王菲.ＤＨＴ１１数字式温湿度传感器的应用性研究[Ｊ].电子设计工程ꎬ２０１３ꎬ２１(１３):８３－８５ꎬ８８.[９]王伟ꎬ施六林ꎬ王斌.基于单片机的桑蚕养殖智能实时监控系统设计[Ｊ].中国农机化学报ꎬ２０１７ꎬ３８(０４):１０９－１１２.[１０]王飞ꎬ杜向阳.基于ｋｅｉｌ软件的一体化螺丝刀控制器设计[Ｊ].软件ꎬ２０１９ꎬ４０(９):７６－８０.[１１]张靖雪ꎬ许泽天ꎬ胡沛.智能便携导盲杖设计[Ｊ].科技风ꎬ２０１７ꎬ２０１７(１２):１－２.[１２]ＣＪＪ４５ ２０１５.城市道路照明设计标准[Ｓ].北京:中国建筑工业出版社ꎬ２０１５.宋玉娥(１９８１ )ꎬ女ꎬ汉族ꎬ山东曹县人ꎬ北京工业职业技术学院ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要研究方向为分数阶傅里叶变换㊁线性正则变换基础理论及其在雷达信号处理领域中的应用ꎬａｅａｅａｅ６２３＠１６３.ｃｏｍꎻ王承国(１９８１ )ꎬ男ꎬ通讯作者ꎬ汉族ꎬ山东烟台人ꎬ中国农业大学烟台研究院ꎬ博士ꎬ副教授ꎬ主要研究方向为智能控制与农业信息化技术ꎬｗａｎｇｃｇ＠１２６.ｃｏｍꎮ４８１１。

基于STM32的盲人导航系统设计随着科技的不断发展，智能设备在我们的生活中扮演着越来越重要的角色，尤其是对于一些特殊人群来说，智能设备更是带来了很多便利和帮助。

盲人是一个特殊的群体，由于无法看到周围的环境，盲人在出行时面临许多困难和挑战。

为了帮助盲人更好地行走和出行，人们设计了许多盲人导航系统。

在本文中，将介绍一种基于STM32的盲人导航系统的设计方案，并探讨其在实际应用中的意义和作用。

一、系统设计方案1. 系统概述盲人导航系统是一种帮助盲人出行的辅助设备，通过声音、振动或者语音提示的方式，为盲人提供导航和定位的功能。

本设计将采用STM32单片机作为系统的主控芯片，利用其强大的计算和控制能力，结合GPS模块、声音模块和振动模块，实现对盲人的导航和辅助功能。

2. 系统组成本系统主要由STM32单片机、GPS定位模块、声音提示模块和振动传感器模块组成。

STM32单片机用于控制系统的整体运行和逻辑控制，GPS模块用于获取盲人当前的位置信息，声音提示模块用于向盲人播放导航信息，振动传感器模块用于向盲人发送震动信号，以提醒盲人注意。

3. 系统原理整个系统的工作原理是通过GPS模块获取盲人当前的位置信息，然后将这些信息通过STM32单片机进行处理和计算，最终得出盲人需要行走的路线和方向。

系统会根据盲人的当前位置和目的地，提供声音提示或者振动信号，引导盲人前进，最终到达目的地。

二、系统实现1. 硬件设计在硬件设计方面，本系统将采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，该单片机具有较强的计算和控制能力，以及丰富的外设接口，非常适合本系统的应用。

GPS模块采用常见的SIM808模块，该模块具有较高的定位精度和稳定性，能够满足盲人导航系统的需求。

声音提示模块采用常见的语音模块，能够实现对盲人的声音导航。

振动传感器模块采用常见的震动马达，能够向盲人发送震动信号。

在软件设计方面，本系统将采用C语言作为主要的编程语言，利用STM32的开发工具进行程序的编写和调试。

• 147•以单片机STM32为核心研发一种多功能盲人拐杖。

拐杖通过摄像头模块拍摄盲人道，查看盲人道路况并通过语音模块提醒盲人；通过角度传感器、地理位置信息获取模块与通信模块等相互配合检测盲人是否摔倒。

若盲人摔倒，则自动向家属手机客户端发送盲人所处的地理位置信息，并且拐杖通过语音模块发出求救声以求助于路人。

我国是全世界盲人最多的国家，约有650万人，占全球盲人总数量的18%。

多数情况下，盲人出行要依靠导盲犬或拐杖，使用导盲犬经济成本较高，而当前市面上的拐杖处于功能较为单一，所以在盲人拐杖功能这一部分还有较大完善的空间。

本文基于STM32设计一款多功能盲人拐杖，提高盲人外出的安全性。

图1 智能拐杖硬件框图图2 多功能盲人拐杖实物图1.硬件设计图1给出了多功能盲人拐杖的硬件框图。

该拐杖以单片机STM32芯片为主控核心，MPU6050负责检测拐杖与水平面夹角，以判断盲人是否摔倒，并且将采集的倾斜度数发送至单片机，进而控制SG90舵机转动，控制摄像头保持在一定的拍摄角度； ATK1218-BD 模块通过串口将采集到的经纬度返回至单片机，再由单片机通过串口发送至SIM900A 通信电路；OpenMV 摄像头拍摄路面盲人道状况，通过串口将信息发送至单片机；单片机处理后控制语言播放电路，播放求救警报声以及盲人道路况提醒语音。

整个盲人拐杖由18650电池供电，单片机通过震动继电器开关控制电源供电。

多功能盲人拐杖实物图如图2所示。

1.1 识别盲人道路况由于盲人道有特定纹理形状，故可通过图像识别特征方法来识别。

本设计采用OpenMV 摄像头实现图像识别功能。

1）利用自适应直方图均衡化进行图像预处理环境光线对图像识别影响较大，增强图像对比度可一定程度改善图像识别率。

采用自适应直方图均衡化，将图像分割成区域，通过计算图像的局部直方图，重新分布亮度来改变图像对比度。

2）利用归一化积相关算法模板匹配识别盲人道砖块纹理归一化积相关算法是一种基于统计学计算两组样本数据相关性的算法，其取值范围在[−1,1]之间。