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基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式導(dǎo)盲手套
摘 要：根據(jù)盲人生活中的實(shí)際困難，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的嵌入式多功能導(dǎo)盲手套。該手套通過超聲測(cè)距實(shí)現(xiàn)避障功能，通過顏色傳感器和顏色標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)物體識(shí)別，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)、報(bào)警等功能，并以舵機(jī)和語(yǔ)音播報(bào)兩種方式進(jìn)行信息反饋，與傳統(tǒng)導(dǎo)盲機(jī)器相比具有使用方便，價(jià)格低廉，功能豐富的特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：導(dǎo)盲；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；顏色傳感器 盲人由于視覺信息缺失在生活各方面存在諸多困難，導(dǎo)盲杖作為最常見的行動(dòng)輔具功能單一，環(huán)境適應(yīng)性差；而導(dǎo)盲犬訓(xùn)練耗時(shí)，價(jià)格高昂，推廣難度大，所以導(dǎo)盲機(jī)器成為必然選擇。導(dǎo)盲機(jī)器根據(jù)所解決的問題不同分為避障導(dǎo)盲，定位導(dǎo)盲www.szmdbiao.com，識(shí)別導(dǎo)盲，學(xué)習(xí)導(dǎo)盲等幾個(gè)類別，并日益向著智能化，復(fù)合化發(fā)展。常見的導(dǎo)盲機(jī)器有四類：電子式行進(jìn)輔具，移動(dòng)式機(jī)器人，穿戴式行進(jìn)輔具和導(dǎo)引式手杖。現(xiàn)有的導(dǎo)盲機(jī)器存在獨(dú)立檢測(cè)和處理環(huán)境信息的缺陷，因而硬件成本必然隨著檢測(cè)的信息增加而增加，使得功能拓展受限于信息獲取。 物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）的概念最早由美國(guó)麻省理工學(xué)院的Kevin Ash-ton教授在1991年提出，是指使用信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)因其強(qiáng)大的開發(fā)潛力被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮，同時(shí)也被列為我國(guó)五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一[1]。本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)有導(dǎo)盲技術(shù)結(jié)合，通過網(wǎng)絡(luò)通信建立對(duì)行動(dòng)的支持，可以在不增加硬件成本的情況下拓展導(dǎo)航定位，天氣預(yù)報(bào)，救援呼叫等功能。 在數(shù)據(jù)采集上，現(xiàn)有導(dǎo)盲機(jī)器只注重對(duì)環(huán)境的空間感知，而缺乏對(duì)顏色信息的反饋。事實(shí)上顏色在物體辨識(shí)、情緒調(diào)節(jié)、社會(huì)交流等方面包含了豐富的信息。本設(shè)計(jì)增加了對(duì)顏色的檢測(cè)，體現(xiàn)了對(duì)盲人群體的人文關(guān)懷，增加了盲人對(duì)產(chǎn)品的安全感和依賴感。 導(dǎo)盲機(jī)器大多是基于觸覺和聽覺設(shè)計(jì)的[2]，而手是觸覺最集中和敏感的區(qū)域，故將導(dǎo)盲系統(tǒng)集成到手套上，同時(shí)包含了語(yǔ)音播報(bào)功能，使之兼具良好的信息反饋能力和便攜特征。 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1.1 硬件布局 傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)放置于右手手套，鍵盤放置于左手手套或其它方便操作的位置，其余組件集成為一個(gè)掛盒，可以便攜在腰間或其它位置，如圖1。 圖1 1.2 嵌入式CPU 選用SAMSUNG的S3C2440作為控制CPU，輸入設(shè)備包括超聲波傳感器、顏色傳感器、GPS模塊和鍵盤，輸出設(shè)備包括舵機(jī)和耳機(jī)接口，此外還通過SIM300實(shí)現(xiàn)與云端的通信。S3C2440采用最小系統(tǒng)核心板加擴(kuò)展板的雙層構(gòu)架，可配置1GB閃存，128M內(nèi)存。 1.3 電池和電源模塊 選用12V，最大電流1000mA的鋰離子電池作為電源，通過7805穩(wěn)壓芯片將12V電壓轉(zhuǎn)為5V輸出。系統(tǒng)滿電狀態(tài)下可工作4h。 1.4 人機(jī)交互 鍵盤和語(yǔ)音播報(bào)用于人機(jī)交互。按鍵用于下達(dá)指令，語(yǔ)音播報(bào)用于確認(rèn)按鍵命令和用戶獲取信息，對(duì)耳機(jī)的支持保證了對(duì)環(huán)境的最小干擾和對(duì)盲人隱私的有效保護(hù)。本設(shè)計(jì)包含一個(gè)4*4的按鍵模塊和包含左右聲道的3.5mm耳機(jī)接口，為功能選項(xiàng)提供支持。 1.5 超聲測(cè)距 超聲波傳感器發(fā)射和接受超聲波，利用發(fā)射時(shí)間和接收時(shí)間的間隔計(jì)算距離[3][4]。本文選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，這款超聲波測(cè)距模塊采用一個(gè)超聲波發(fā)生器和一個(gè)超聲波接收器，探測(cè)距離為2～450cm，感應(yīng)角度不大于15度，探測(cè)精度為0.3cm，工作電壓為5v。我們將三個(gè)超聲波發(fā)射器相互成45度夾角成一線放置（如圖2），實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)上、中、下（垂直方式）或左、中、右（水平方式）三個(gè)方向的距離信息采集。垂直方式是為了幫助盲人實(shí)現(xiàn)等身高度的避障測(cè)量，水平方式是為了快速尋找過道和門等穿行環(huán)境。 圖2 舵機(jī)是距離信息的反饋元件。本文使用三個(gè)舵機(jī)將三個(gè)超聲波傳感器的距離信息轉(zhuǎn)換為偏角，舵機(jī)牽動(dòng)遙感機(jī)構(gòu)，將偏角轉(zhuǎn)換為觸鈕的伸縮長(zhǎng)度，從而將真實(shí)距離縮放到手指可感受的范圍。與傳統(tǒng)的避障檢測(cè)相比，這種方式能提供連續(xù)的距離信息�？紤]到傳感器的特性和盲人生活的實(shí)際，把距離檢測(cè)范圍定為4米以內(nèi)。 1.6 顏色識(shí)別 本文選用TCS230顏色傳感器。TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了RGB三種濾光器。 顏色名詞是一個(gè)離散的概念，如紅、藍(lán)、淺藍(lán)等。TCS230采集到物體的RGB數(shù)值后，再歸并為常見的七種顏色信息，通過語(yǔ)音播報(bào)反饋。顏色傳感器有兩種使用方式，一種是配合標(biāo)準(zhǔn)顏色標(biāo)簽，將顏色標(biāo)簽貼在固定的位置，作為顏色開關(guān)，用于系列物體的快速檢索；另一種是自由檢測(cè)生活中各種常見物體的顏色，得到粗略的顏色信息。 顏色傳感器在檢測(cè)顏色的時(shí)候需要采用高亮白色LED燈反射光。我們?cè)谑痔妆巢吭O(shè)計(jì)了顏色傳感器的開關(guān)，平時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)，在需要使用的時(shí)候打開開關(guān)，保證了省電和對(duì)環(huán)境的最小影響。 1.7 導(dǎo)航定位 本文使用NEO-6M GPS模塊，實(shí)現(xiàn)自身的定位。為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航功能，每10s將自身的位置信息和預(yù)置的目標(biāo)點(diǎn)位置信息通過SIM300模塊以短信形式上傳到云端，再把云端導(dǎo)航軟件處理得到的信息以短信形式接收，轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音播報(bào)信息反饋給用戶，指示是否前進(jìn)或轉(zhuǎn)向。 其它網(wǎng)絡(luò)功能包括報(bào)時(shí)、天氣預(yù)報(bào)和報(bào)警等，基本實(shí)現(xiàn)也是通過SIM300模塊把特定的信息發(fā)送到云端，由云端進(jìn)行處理，再接收返回的信息。 2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 2.1 嵌入式應(yīng)用程序 嵌入式系統(tǒng)中的程序使用多線程并發(fā)執(zhí)行，主線程循環(huán)檢測(cè)按鍵狀態(tài)，捕獲按鍵命令后創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的子線程。 超聲測(cè)距線程中，三個(gè)超聲傳感器分時(shí)檢測(cè)距離信息并輸出到舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，避免了超聲波的相互干擾。因?yàn)槌晜鞲衅靼l(fā)射錐形波，在復(fù)雜環(huán)境中會(huì)有明顯的自擾，導(dǎo)致反饋的信息振蕩。為解決這個(gè)問題，使用距離平均值算法和濾波算法，程序流程如圖3。 顏色識(shí)別線程中，將讀取到的RGB數(shù)值轉(zhuǎn)化到HSV顏色空間，再利用H變量進(jìn)行顏色判斷，判斷結(jié)果以語(yǔ)音播報(bào)的形式進(jìn)行反饋。 2.2 系統(tǒng)云端 系統(tǒng)云端包括短信收發(fā)終端、數(shù)據(jù)庫(kù)和互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)，短信收發(fā)終端將接收到的信息傳給互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，再發(fā)送返回的信息；數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)導(dǎo)盲手套的注冊(cè)信息進(jìn)行管理，如圖4所示。 圖4 3 結(jié)束語(yǔ) 試驗(yàn)證明，該設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)預(yù)想的導(dǎo)盲功能。目前該設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)功能有限，但是其基于物聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)前景廣闊，這也有待于盲人網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。 參考文獻(xiàn) [1]劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)， 2010，37（6）：1-4. [2]張瑩.基于嵌入式技術(shù)的導(dǎo)盲機(jī)器人設(shè)計(jì)[D].浙江工業(yè)大學(xué)：張瑩，2011. [3]張彥潮.基于超聲檢測(cè)技術(shù)的智能導(dǎo)盲杖控制器設(shè)計(jì)[J].高等教育研究，2009，（8）：194-195. [4]曲霄紅，薄文彥.基于超聲波測(cè)距的導(dǎo)盲儀設(shè)計(jì)研究[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（6）：27-29.
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