基于STM32单片机智能盲杖的设计

摘要：针对目前市场提供给盲人的盲杖结构简单，智能盲杖智能性能低、导盲效果差等问题，本文以STM32为主控芯片，设计了一种新型的智能盲杖，解决盲人出行不便的诸多难题。该智能盲杖能在盲人出行时实时获取自己定位信息，利用多超声波系统探测盲人周围的障碍信息，盲人行走时盲杖以声光报警的形式提醒路人进行避让。通过MPU6050传感器解算盲杖的姿态信息实现盲人行走过程中意外跌倒的实时预警。所有信息通过WIFI方式发送到智能手机APP。通过盲杖敲击姿态解算，手机APP通过GPS调用百度地图获取盲人位置信息，位置信息和障碍信息通过科大讯飞语音模块进行播报。经实践应用，该导盲杖能给盲人出行带来较好的便利，同时具有使用简单，成本低等优点。

关键词：智能盲杖；STM32单片机；超声波传感器；ESP8266

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0221-02

Abstract：Due to the simple structure， low intelligent performance and poor guide effect of the blind stick， a new type of intelligent blind stick is needed to be designed based on STM32which is used as the main control chip to decrease inconveniences occur when the blind is out of home. The intelligent blind stick can acquire real-time location information， detect obstacles around the blind through multi-ultrasonic system， and warn passers-by though sound and light alarm. The attitude information of the blind stick is calculated by MPU6050 sensor to realize the real-time warning of accidental fall while walking. All information is sent to smart phone APP via WIFI. By calculating the strike posture of the blind stick， the mobile phone APP which calledBaidumapcan obtain the position information of the blind.though GPS At the same time，the position information and obstacle information can be broadcast through the ITU voice module. Through practical application， the guide rod can bring more conveniences for the blind because of advantages of easier operation and lower cost.

Key words： Intelligent Blind Rod； STM32 Single Chip Microcomputer； Ultrasonic Sensor； ESP8266

1前言

據我国权威部门调查统计，中国是世界盲人最多的国家[1]，同时随着老龄化的加速，盲人数量不断增加。经济发展，生活水平的不断提高，如何解决盲人出行难是目前函待解决的重大问题。传统的盲杖使用起来有诸多不便，无法真正解决盲人出行难题，导盲犬训练期较长且费用昂贵，国外一些专家学者开发了电子导盲犬，导盲仪等导盲设备，存在价格昂贵，使用复杂等问题，而且基本都停留在实验室阶段[2][3]。

为了解决目前盲人导航设备存在的各种问题，文章创新性地提出了一种新的导航的方案：“智能盲杖——手机APP”智能导航系统。从我国道路的实际情况出发，在盲人还无法脱离盲杖的条件下，设计了智能盲杖，同时与安卓手机平台结合，通过安卓手机平台的GPS位置传感器，调用百度地图进行位置信息的播放，提供更为个性化、更为精确的室外位置信息。

1 智能盲杖总体设计

系统总体框图如图1所示，智能盲杖由STM32单片机、超声波探头、MPU6050传感器、WIFI无线模块以及声光报警电路组成。盲杖手柄位置为开关按钮，方便盲人关闭电源。盲杖工作时，三对超声波探头对前方，左方及右方的障碍物信息进行探测，MPU6050传感器对盲杖的姿态进行实时解算，所有的传感器数据通过STM32单片机进行分析处理后通过ESP8266WIFI模块传给Android APP。APP将探测结果通过实时播报，当盲人需要了解目前所在位置时候，通过盲杖敲击地面3次，MPU6050的加速度和陀螺仪分析数据解算出盲人敲击动作后，将结果反馈给APP，APP调用百度地图将盲人所在位置实时播报。

2 硬件设计

2.1 STM32单片机控制电路

智能盲杖主控核心采用基于ARM 32位的Cortex M3内核的STM32F103C8T6单片机，3.3伏电压供电，CPU工作频率72MHZ[4]。该单片机具有单周期的乘除法指令，中断系统优先级可编程，64KB的Flash存储器与20KB的SRAM存储器能很好地满足智能盲杖的数据处理要求。芯片体积小，其高效的时钟管理模式能大大的降低使用时功耗，具有成本低，速度快性价比高等优点。

2.2 MPU6050模块

MPU6050为全球首例整合3 轴陀螺仪、3 轴加速度计的6轴运动处理组件，很好地解决了单独采用陀螺仪与加速器传感器时间轴之差的问题，封装体积小，内置的数字运动处理DMP能方便实现设备的姿态解算[5]。MPU6050通过IIC总线与STM32单片机通信，MPU6050陀螺仪工作运作电流约为5mA，陀螺仪待机电流只有5uA，角速度加速器工作电流为500uA，加速器省电模式电流仅为40uA@10Hz，当一段时间STM32没有收到有效的MPU6050运动数据，MPU6050进入到睡眠状态，STM32单片机进入到停机模式，直到MPU6050加速度传感器有运动数据时唤醒，大大延长的智能盲杖的工作时间。

2.3超声波模块

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm～400cm的非接触式距离感测功能，通过3组HC-SR04模块能有效实现导盲杖前方、左边和右边的障碍物探测[6]。STM32单片机向超声波模块TRIG端口提供一个15us脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz周期电平后，并检测是否有回波。一旦检测到有回波返回，则通过ECHO I/O口出现一个高电平的回响信号，其脉冲宽度与所测的距离成正比。此回波高电平持续的时间通过公式转换可以计算得到障碍的距离。

2.4声光报警模块

声光报警模块采用蜂鸣器和LED等闪烁提醒相结合的模式。在盲人行走时，默认开启LED闪烁提醒的方式，当超声波模块监测到障碍物时，通过蜂鸣器进行实时提醒。声光报警和蜂鸣器报警都可以通过盲杖手柄上的按键单独选择开启或者关闭。

2.5 ESP8266WIFI模块

为了减小智能盲杖电路模块的体积，同时降低开发成本，选用了乐鑫公司的ESP8266WIFI模块实现智能盲杖与手机的通讯[7]。ESP8266芯片具有很好的性价比，使用方便。其RXD和TXD引脚分别接STM32单片机芯片的PA9和PA10引脚，通过串口实现与STM32单片机数据交换。

2.6锂电池管理模块

智能盲杖采用一粒2350ma的18650锂电池进行供电，除超声波模块外其他芯片工作电压为3.3伏。智能盲杖采用tp4057锂电池充电芯片作为其充电模块，最大充电电流达到1A。在正常使用的情况下，能连续工作一周时间。

3 软件设计

3.1 控制器软件设计

控制器软件部分主要对ESP8266和STM32F103C8T6芯片和进行编程。系统开关打开后，进入到初始化阶段，获取系统的各种参数，超声波模块获取周围障碍物数据，MPU6050采集加速度和陀螺仪数据实现盲杖的运动监测，通过DMP实现盲杖的姿态采集，当盲杖姿态异常（例如跌倒）时能实时进行跌倒报警，ESP8266初始化并与手机APP进行连接，将智能盲杖采集信息和控制信号实时发送到手机APP端。

3.2 安卓APP软件设计

Android APP采用JAVA语言实用 Android Studio软件进行编程，通过SmartConfig技术实现与ESP8266进行连接[8]。通过调用百度地图，获取当前位置的位置数据（包括道路、建筑物），语音播报板块通过调用讯飞语音sdk，初始化一个语音变量，设置该变量的发音人，语速，音量，云端等，然后会话结束回调接口，实现位置信息的适时播报。

4 測试

选用湖南农业大学农大路附近路段作为测试地点进行测试，测试结果表明该智能盲杖较好地满足盲人室外出行要求：（1）智能盲杖在靠近障碍物（行人，车辆，路灯等固定物）都能在2米时进行实时声光报警，在1米左右通过手机实现语音提示；（2）模拟盲人跌倒时，智能盲杖非正常跌落时，能自动拨打预警电话进行报警；（3）智能盲杖敲击3下时，能实时调用百度地图播报当前盲人周围的位置信息。

5结论

针对盲人现实生活中出行困难的难题，提出了新的智能盲杖解决方案并实现，在通过对盲人出行困难进行调研的基础上，吸取了目前智能导盲杖有点的基础上，很好的改进存在的各种不足，有较大的应用价值。今后在程序、硬件电路不断优化改进，提高检测的灵敏度和位置的精度，将为盲人室外出行带了极大便利。

参考文献

[1] 李诗芸.基于可穿戴的智能盲人导航设计[J].工业设计，2018（3）：102-103.

[2] 张克华，王书平，尹晓红，等.复杂室内环境下的单一Kinect导盲系统[J].光学精密工程，2015，23（8）：2419-2428.

[3] 李林，李小舜，吴少智.基于迁移学习和显著性检测的盲道识别[J].计算机工程与应用，2018，54（11）：8-15.

[4] 赵昂，类延强，倪鹏，等.基于STM32的生物质燃料采暖炉控制器[J].电脑知识与技术，2018，14（21）：291-292.

[5] 卓从彬，杨龙频，周林，等.基于MPU6050加速度传感器的跌倒检测与报警系统设计[J].电子器件，2015，38（4）：821-825.

[6] 夏继强，郑昆，郑健峰，等.基于STM32的收发一体式超声波测距系统[J].仪表技术与传感器，2014 （8）：43-46.

[7] 陈敏敏，廉迎战，黄道燚.基于WIFI物联网的温度监控系统设计与实现[J].现代电子技术，2017，40（18）：147-149.

[8] 曾树洪，魏勇，林俊健.基于ESP8266的智能无线跑步计时器[J].现代计算机（专业版），2018（6）：85-88.

【通联编辑：唐一东】

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