李佳朋 肖阳 朱婷 张海涓 张曼 邸志刚
华北理工大学电气工程学院，河北唐山 063200
摘要：中国是全世界盲人最多的国家，传统的导盲杖功能单一，不能满足盲人群体出行需要。因此设计出了此智能导盲杖，以便捷盲人群体的出行。本设计以STM32F103C8T6单片机为核心控制芯片，由TF mini Plus激光测距采集距离信息、GSM模块提供通信信息、GPS模块提供位置信息，以语音和振动相结合的方法来提醒用户。实现了实时定位、短信收发、拨打紧急报警或联系人电话，实现紧急事件处理功能。就当前设计而言，足以满足盲人的日常出行。
关键词：激光测距；盲人手杖；GSM通信
Intelligent blind walking stick based on photoelectric distance measurement
LI Jia-peng XIAO Yang ZHU Ting ZHANG Hai-juan ZHANG Man DI Zhi-gang
(College of Electrical Engineering, North China University of Technology, Tangshan Hebei 063200)
Abstract: China has the largest number of blind people in the world. The traditional walking stick has a single function and cannot meet the travel needs of blind people. Therefore, the intelligent walking stick is designed to facilitate the travel of blind people. In this design, STM32F103C8T6 single chip is used as the core control chip, TF mini Plus laser ranging acquisition distance information, GSM module to provide communication information, GPS module to provide location information, to remind users by the method of combining voice and vibration. Real-time positioning, receiving and sending short messages, dialing emergency alarm or contact phone, emergency event processing functions are realized. As far as the current design is concerned, this guide stick is enough to meet the daily travel needs of the blind.
Key words:Laser ranging；A cane for the blind；GSM Communication
0引言
随着城市交通的迅速发展，视障人士的出行面临着越来越大的挑战。而传统的盲杖大多设计简单，功能单一，已经不能满足他们安全出行的需求。同时，视障人群在使用时会遇到诸多问题，比如路况不好，前方有悬挂的障碍物，普通的拐杖无法准确的探明，迷路时方向无法定位，亲属不容易寻找等，因此智能盲人手杖就显得尤为重要。
1系统原理
（1）激光测距原理:
TF mini Plus基于飞行时间，即飞行时间原理。具体而言测距模块会定期发出近红外线的调制波，在与物体接触后会反射。系统通过测量往返相位差来获得飞行时间，然后计算模块与检测对象之间的相对范围。如下图所示。
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（2）GSM通信原理:
GSM只能使用短信形式传送数据，无法做到“实时在线”、“按量计费”。与GSM比较，GPRS在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优势，更有效的利用无线网络信道资源，特别适用于间歇、非周期数据传输、少量的数据传输，较大容量数据不频繁传输等。
（3）GPS定位原理：
24颗GPS卫星在离地上1万2千公里的空中上，以十二小时的周期时间围绕地球运转，促使在任一时间，在地面上的任何一点可以同时观测到4颗以上的卫星。鉴于卫星的具体位置精确可知，在GPS观测中，卫星到接收机的相距，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以构成3个方程式，解得观测点的具体位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的偏差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需用引入第4颗卫星，形成4个方程式做好求解，进而获得观测点的经纬度和高程。
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（4）语音播报原理:
通过STM32F103C8T6采集并处理其他模块传入数据，控制语音模块内以存入的特定的音频按照特定的顺序进行播放即可产生完整的语音。
2系统设计
（1）系统整体设计方案:
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本设计以STM32F103C8T6单片机为核心控制芯片，使用TF mini Plus激光测距采集距离信息。TF mini Plus是一款小型化激光雷达模组短距离传感器，具有低成本、小体积和低功耗三大优势，进一步提升了产品整体性能—提高输出帧率，缩小测距盲区，提高数据稳定性及准度。与此同时，增加IP65级防护，优化各类补偿算法，极大的增加了产品在室外各种环境使用的稳定性。使用了A9G实现盲人当前位置的定位、短信收发、拨打紧急报警及联系人电话，实现紧急事件处理功能。A9G是一个完整的四频GSM/GPRS模块，它融合GPRS和GPS/BDS技术，并将其集成在一个紧凑型设计的SMD封装中，大大节省了产品设计体积。使用语音模块对时间、距离等信息进行播报，并结合震动马达根据距离调节震动频率，对用户进行提示。
（2）系统供电设计:
系统整体采用可充电式9V电池进行供电，重量轻，使用寿命长，可多次充电循环使用。使用MP1584电源芯片对系统5V电源进行供电，使用DC-D增加的电能的转化效率，降低了电源芯片的发热，提高了系统的稳定性。使用AMS1117-3V3为单片机系统进行供电，提高了单片机系统电源的稳定性。使用SY8089对A9G进行4.2V供电。多种电源分层设计，增加了系统的可靠性，提高了电源的密度与效率、使系统更易于维护和升级。
（3）机械结构设计:
全长124厘米，折叠后33厘米。在市面上可折叠的盲人手杖基础上，于其接近地面的一端置入传感器，手柄的一端有集电池、主机、功能按键区于一体的盒体。
（4）主控电路设计:
主控板电路原理图如下图所示，主控电路板以贴片式封装的STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，从嵌入式最小硬件系统组成上来说，主控芯片STM32采用ARM Cortex内核，72MHz主频，64KBFLASH，20K*8RAM。电源电路采用可充电式9V电池为系统供电，采用MP1584、AMS1117与SY8089多种电源芯片对主控板模组供电。
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3实验结果
经过调试，装有可变角度式激光测距支架，不必把盲仗直立，在前行的过程中可实时探测前方3米以内的障碍物，及较深的凹陷，并及时以语音和震动相结合的方法来提醒用户。同时能语音播报当前时间，实现实时定位，短信收发，拨打紧急报警或联系人电话，振动模式和语音模式相切换多种功能。
参考文献
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