一種新型盲人導行識別系統(tǒng)的設計

世界各國存在數(shù)量龐大的視覺殘疾人。如何提高他們的生活質量，解決盲人的出行，已經(jīng)成為全世界各國共同關注的問題。目前，盲人仍主要依靠探路棍、簡單的觸覺來認識世界。我國盲人用品用具市場存在兩極分化的現(xiàn)狀，低端的生活學習用品、用具較為豐富，而高端的產(chǎn)品卻極為稀缺。當前市場上的助盲器材成型產(chǎn)品僅處于障礙物報警的初始水平，實用功能極其有限，不能給盲人提供足以理解周圍環(huán)境的信息，遠遠不能滿足盲人的生活需求。世界上有許多國家和科研機構正在研發(fā)盲人導行識別裝置。例如，盲人雙耳語音提示系統(tǒng)[1]，采用超聲波對障礙物、路面紋理變化情況等進行檢測，通過聲音信號進行提示;李廣強利用DSP處理器開發(fā)了助盲識別、語音提示系統(tǒng)[2];陳美鑾采用超聲測距、語音報警的方法設計智能盲人導行儀[3];謝強將圖像信號轉換為調頻式的音頻信號的方法，設計電子助盲器[4];賀菊方采用超聲測距,將超聲波轉化為聲波的方法設計幫助盲人行走、識別障礙物的電子裝置[5]。本文則利用無線傳感器網(wǎng)絡設計一種新型的盲人導行識別系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設計
    本系統(tǒng)利用GPS測量盲人具體位置，利用超聲波測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ZigBee網(wǎng)絡傳輸給計算機，信息經(jīng)計算機處理后再通過ZigBee網(wǎng)絡將輸出結果傳送給語音控制板，經(jīng)語音合成處理后為盲人進行語音提示。該系統(tǒng)不僅能幫助盲人判斷方向和障礙物的位置，也能識別障礙物的類型，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，該系統(tǒng)也能幫助盲人識別周圍的物品，為盲人日常生活提供方便。系統(tǒng)利用ZigBee網(wǎng)絡進行信號無線傳輸,其原理圖如圖1所示。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點包括普通節(jié)點、sink節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。普通節(jié)點通過傳感器完成數(shù)據(jù)采集，sink節(jié)點進行多跳中繼傳輸，網(wǎng)關節(jié)點通過RS485串行通信把匯集的信息傳輸給PC機。本系統(tǒng)的普通節(jié)點包括GPS測量位置、超聲測距、圖像采集和語音提示模塊。單個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點在室內可覆蓋10 m，在室外可覆蓋30 m～75 m。sink節(jié)點可將信號進行多跳中繼傳輸，從而擴展ZigBee網(wǎng)絡覆蓋范圍。

2 無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點設計
    無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點是一個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、無線通信模塊、電源模塊4個部分組成，如圖2所示。數(shù)據(jù)采集模塊負責信息的采集并將采集的信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，傳送給微處理器模塊；微處理器模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、功耗管理、任務管理等。本系統(tǒng)采用的ZigBee硬件平臺可分為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芯片是一個嵌入式32位ARM7微控制器，帶有512 KB嵌入式的高速Flash存儲器和32 KB片內靜態(tài)RAM，具有2個8 路10位A/D轉換器、1個D/A轉換器、47個GPIO及9 個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷。低功耗射頻雙向收發(fā)器MC13192，符合IEEE 802.15.4標準，工作于2.4 GHz ISM頻段，可提供250 Kb/s的數(shù)據(jù)速率和16個不同的信道，采用正交QPSK調制和直接序列擴頻編碼，通過1個4線串行接口與MCU通信。數(shù)據(jù)采集模塊中的A/D轉換器選用模數(shù)轉換器AD7674，具有18位高精度分辨率,最大轉換時鐘頻率可達800 MHz。    

3 射頻通信電路的設計

　MC13192射頻通信電路包括MC13192支撐電路和天線電路，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4.7 ?滋F的穩(wěn)壓電容。引腳VDDA、VDDLO1、VDDLO2并聯(lián)，外接1個100 nF的濾波電容，3個引腳輸出電壓為經(jīng)過整流的模擬電壓。引腳VDDD輸出電壓為經(jīng)過內部整流的數(shù)字電壓。VDDVCO為VCO電路供電，外接1個220 pF的電容。XTAL1、XTAL2外接16 MHz的專用于2.4 GHz射頻電路的晶振，旁路電容為10 pF。MC13192射頻電路的天線采用PCB類型的天線，這種類型的天線適合應用于無線傳感器網(wǎng)絡的硬件平臺。RFIN-和RFIN+為接收通道，2個18 pF的電容能濾除高頻干擾信號。PAO-、PAO+為發(fā)送通道，這2個管腳與VDDA連在一起，給發(fā)送通道提供必要的能量。

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

   
    超聲測距系統(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。超聲波信號由555時基電路振蕩產(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)軟件設計
    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、通信服務模塊等。通信服務模塊包括數(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調用其他模塊完成系統(tǒng)的功能。初始化模塊用來初始化微處理器的串口和設置ZigBee模塊參數(shù)，包括內部各種寄存器的設置、工作模式的設置(如波特率)等。建立通信鏈路模塊用來建立節(jié)點間的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)處理模塊用來接收并處理無線傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。打包發(fā)送模塊是當信息打包后發(fā)送時，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接收串行口發(fā)來的數(shù)據(jù)，信息包接收完成后執(zhí)行校驗，并根據(jù)校驗結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測量盲人位置，采用超聲波測量距離，利用CCD攝像頭拍攝物體的圖像，利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，采集信息經(jīng)計算機處理后給盲人語音提示。本設計涉及無線通信與無線技術、網(wǎng)絡技術、圖像傳輸及處理技術、語音信號處理技術和計算機技術等多交叉學科。該系統(tǒng)是盲人識別導行系統(tǒng)設計中一種新的嘗試，它能給盲人生活帶來方便,系統(tǒng)的研發(fā)具有十分重要的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻
[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.基于DSP助盲目標識別系統(tǒng)研究與設計[D]. 西安:西北工業(yè)大學,2006.
[3]  陳美鑾,尹浩,黎飄.智能盲人識別儀的設計與實現(xiàn)[J]. 電子技術應用,2006,32(10):4-6.
[4] 謝強.電子助盲器.中國: No.CN2650066Y[P].2004,10.
[5] 賀菊方,潘國華,何俊峰.用于幫助盲人行走、識別障礙物的電子裝置.中國: No.CN2843397Y[P].2006,12.