一種新型盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

世界各國(guó)存在數(shù)量龐大的視覺(jué)殘疾人。如何提高他們的生活質(zhì)量，解決盲人的出行，已經(jīng)成為全世界各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。目前，盲人仍主要依靠探路棍、簡(jiǎn)單的觸覺(jué)來(lái)認(rèn)識(shí)世界。我國(guó)盲人用品用具市場(chǎng)存在兩極分化的現(xiàn)狀，低端的生活學(xué)習(xí)用品、用具較為豐富，而高端的產(chǎn)品卻極為稀缺。當(dāng)前市場(chǎng)上的助盲器材成型產(chǎn)品僅處于障礙物報(bào)警的初始水平，實(shí)用功能極其有限，不能給盲人提供足以理解周?chē)h(huán)境的信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足盲人的生活需求。世界上有許多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)正在研發(fā)盲人導(dǎo)行識(shí)別裝置。例如，盲人雙耳語(yǔ)音提示系統(tǒng)[1]，采用超聲波對(duì)障礙物、路面紋理變化情況等進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)聲音信號(hào)進(jìn)行提示;李廣強(qiáng)利用DSP處理器開(kāi)發(fā)了助盲識(shí)別、語(yǔ)音提示系統(tǒng)[2];陳美鑾采用超聲測(cè)距、語(yǔ)音報(bào)警的方法設(shè)計(jì)智能盲人導(dǎo)行儀[3];謝強(qiáng)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)頻式的音頻信號(hào)的方法，設(shè)計(jì)電子助盲器[4];賀菊方采用超聲測(cè)距,將超聲波轉(zhuǎn)化為聲波的方法設(shè)計(jì)幫助盲人行走、識(shí)別障礙物的電子裝置[5]。本文則利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種新型的盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)利用GPS測(cè)量盲人具體位置，利用超聲波測(cè)量盲人與物體的距離,利用CCD攝像頭拍攝物體的圖像。這些信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸給計(jì)算機(jī)，信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將輸出結(jié)果傳送給語(yǔ)音控制板，經(jīng)語(yǔ)音合成處理后為盲人進(jìn)行語(yǔ)音提示。該系統(tǒng)不僅能幫助盲人判斷方向和障礙物的位置，也能識(shí)別障礙物的類(lèi)型，幫助盲人在指定的小區(qū)里為自己定位，并指明目的地大致方向。同時(shí)，該系統(tǒng)也能幫助盲人識(shí)別周?chē)奈锲罚瑸槊と巳粘Ｉ钐峁┓奖?。系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)無(wú)線(xiàn)傳輸,其原理圖如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括普通節(jié)點(diǎn)、sink節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器完成數(shù)據(jù)采集，sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳中繼傳輸，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS485串行通信把匯集的信息傳輸給PC機(jī)。本系統(tǒng)的普通節(jié)點(diǎn)包括GPS測(cè)量位置、超聲測(cè)距、圖像采集和語(yǔ)音提示模塊。單個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)可覆蓋10 m，在室外可覆蓋30 m～75 m。sink節(jié)點(diǎn)可將信號(hào)進(jìn)行多跳中繼傳輸，從而擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

2 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)微型化的嵌入式系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集模塊、微處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊4個(gè)部分組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)信息的采集并將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，傳送給微處理器模塊；微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務(wù)管理等。本系統(tǒng)采用的ZigBee硬件平臺(tái)可分為LPC2138控制模塊、MC13192射頻模塊、RS232串行通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊。LPC2138芯片是一個(gè)嵌入式32位ARM7微控制器，帶有512 KB嵌入式的高速Flash存儲(chǔ)器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，具有2個(gè)8 路10位A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器、47個(gè)GPIO及9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。低功耗射頻雙向收發(fā)器MC13192，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作于2.4 GHz ISM頻段，可提供250 Kb/s的數(shù)據(jù)速率和16個(gè)不同的信道，采用正交QPSK調(diào)制和直接序列擴(kuò)頻編碼，通過(guò)1個(gè)4線(xiàn)串行接口與MCU通信。數(shù)據(jù)采集模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7674，具有18位高精度分辨率,最大轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率可達(dá)800 MHz。    

3 射頻通信電路的設(shè)計(jì)

　MC13192射頻通信電路包括MC13192支撐電路和天線(xiàn)電路，如圖3所示。MC13192支撐電路包括電源電路、濾波電路和晶振電路。VBATT、VDDINT是電源輸入引腳，MC13192的正常工作電壓為2.0～3.6 V，引腳VBATT與引腳VDDINT并聯(lián)，外接1個(gè)4.7 ?滋F的穩(wěn)壓電容。引腳VDDA、VDDLO1、VDDLO2并聯(lián)，外接1個(gè)100 nF的濾波電容，3個(gè)引腳輸出電壓為經(jīng)過(guò)整流的模擬電壓。引腳VDDD輸出電壓為經(jīng)過(guò)內(nèi)部整流的數(shù)字電壓。VDDVCO為VCO電路供電，外接1個(gè)220 pF的電容。XTAL1、XTAL2外接16 MHz的專(zhuān)用于2.4 GHz射頻電路的晶振，旁路電容為10 pF。MC13192射頻電路的天線(xiàn)采用PCB類(lèi)型的天線(xiàn)，這種類(lèi)型的天線(xiàn)適合應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)。RFIN-和RFIN+為接收通道，2個(gè)18 pF的電容能濾除高頻干擾信號(hào)。PAO-、PAO+為發(fā)送通道，這2個(gè)管腳與VDDA連在一起，給發(fā)送通道提供必要的能量。

4 超聲波檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    超聲波測(cè)距原理是:超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波脈沖，超聲波通過(guò)媒質(zhì)(空氣)傳輸后從被測(cè)物體反射回來(lái)，被接收探頭接收。根據(jù)超聲波在空氣中的速度v，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間t,可計(jì)算出從探頭到物體表面之間的距離L：

   
    超聲測(cè)距系統(tǒng)的電路功能模塊主要包括發(fā)射電路、接收電路及微處理電路三部分，如圖4所示。超聲波信號(hào)由555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生。超聲波探頭選用發(fā)射傳感器T40-10和接收傳感器R40-10，探頭中心頻率為40 kHz，發(fā)射聲壓大于107 dB，接收靈敏度大于-74 dB/V/μBar。[!--empirenews.page--]

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序處理模塊、初始化模塊、建立通信鏈路模塊、通信服務(wù)模塊等。通信服務(wù)模塊包括數(shù)據(jù)處理模塊、打包發(fā)送模塊、中斷接收模塊。主程序處理模塊用來(lái)調(diào)用其他模塊完成系統(tǒng)的功能。初始化模塊用來(lái)初始化微處理器的串口和設(shè)置ZigBee模塊參數(shù)，包括內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置、工作模式的設(shè)置(如波特率)等。建立通信鏈路模塊用來(lái)建立節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)處理模塊用來(lái)接收并處理無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)。打包發(fā)送模塊是當(dāng)信息打包后發(fā)送時(shí)，利用串行口中斷將信息包逐字節(jié)發(fā)送出去。中斷接收模塊是用來(lái)接收串行口發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，信息包接收完成后執(zhí)行校驗(yàn)，并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)果決定是否丟棄該幀。主程序流程圖如圖5所示。射頻通信MC13192模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖6所示，接收數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示。

    本系統(tǒng)采用GPS測(cè)量盲人位置，采用超聲波測(cè)量距離，利用CCD攝像頭拍攝物體的圖像，利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，采集信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后給盲人語(yǔ)音提示。本設(shè)計(jì)涉及無(wú)線(xiàn)通信與無(wú)線(xiàn)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像傳輸及處理技術(shù)、語(yǔ)音信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多交叉學(xué)科。該系統(tǒng)是盲人識(shí)別導(dǎo)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一種新的嘗試，它能給盲人生活帶來(lái)方便,系統(tǒng)的研發(fā)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
[1]  KUC R. Binaural sonic electronic aid provids vibrotactile cues for landmark, reflector motion and surface texture classification[J]. IEEE Trans. on Biomedical Engineering, 2002, 49(10):1173-1180.
[2]  李廣強(qiáng).基于DSP助盲目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D]. 西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.
[3]  陳美鑾,尹浩,黎飄.智能盲人識(shí)別儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用,2006,32(10):4-6.
[4] 謝強(qiáng).電子助盲器.中國(guó): No.CN2650066Y[P].2004,10.
[5] 賀菊方,潘國(guó)華,何俊峰.用于幫助盲人行走、識(shí)別障礙物的電子裝置.中國(guó): No.CN2843397Y[P].2006,12.