基于双频GPS+RFID的智能语音导盲系统

发布时间：2020-12-01

　　摘要：近些年来，眼部损伤及视力障碍的人数逐渐增加，为了方便这类人的学习、工作、生活，本文设计一种基于双频GPS+RFID的智能语音导盲系统，该系统由三部分组成：设置在无卫星信号的地点关键位置的RFID标签，导盲杖的硬件部分及配合导盲杖硬件部分工作的手机APP。其中导盲手杖的硬件部分包括：电源开关、手柄、输入装置、主控系统、避障系统、撑杆、导航信息获取装置、跌倒防护系统。该系统采用多传感器融合及互联网技术，为视障人士提供多方面有用的信息。

　　关键词：导盲系统；导盲杖；双频GPS；RFID；手机APP

　　引言：

　　我国政府历来关心残疾人，重视发展残疾人事业，20多年来，采取政治、经济、法律、行政等一系列重大措施，保障残疾人的权利，改善残疾人的生活质量。据国家权威部门统计，中国是世界视障人士最多的国家，约有500万视障人士，1230万弱视人群，占全世界视障人士总数的18％，低视力者600多万，儿童斜弱视者1000万；青少年近视率平均达40％，大学生近视率超过70％。同时,每年我国新增45万视障人士。视障人士丧失了视觉，这给他们的学习、工作、生活等带来诸多不便。尤其是安全出行，因不能准确及时地躲避障碍物，不能辨别出行方向，导致出行不便。因此，设计一款实用且功能齐全、符合视障人士需求的智能语音导航导盲系统是非常必要的。

　　1.工作原理及方案设计

　　1.1工作原理

　　导盲系统的基本工作原理是利用导盲杖上的多传感器融合实现对周围环境的探测，并利用智能算法对各种情况进行综合判断，通过输出单元告知视障人士、周围人群及视障人士家属。

　　本系统采用多传感器融合实现对周围环境的探测，主要分为三大类：双频GPS模块及RFID阅读器实现精确定位，超声波测距模块及红外测距模块实现对周围障碍物的探测，10轴陀螺仪实现对视障人士的姿态判断。

　　1.2系统方案

　　如图1，图1为本设计提供的一种基于双频GPS+RFID的智能语音导盲系统结构示意图。该系统包括设置在无卫星信号的地点关键位置的RFID标签，导盲杖的硬件部分及配合导盲杖硬件部分工作的手机APP。导航方法：卫星信号不稳定的地方导航主要靠主控系统4读取导航信息获取装置7上的RFID阅读器读取的地理位置信息，卫星信号稳定的地方导航由主控系统4从导航信息获取装置7上的双频GPS模块获取地理位置信息，从而完成导航。避障系统5和跌倒防护系统8实时工作，保障视障人士出行安全。输入装置3，由七个刻有盲文的按键组成，分别为：导航模式切换键、SOS一键求救键、打车键、当前位置键、导航键、报时键以及音量调节键，按键分布合理。智能手机端的手机APP分为小明助手和小明同行；小明助手适用对象为视障人士家属，导盲杖会把视障人士的状态都上传至智能手机端的小明助手，小明助手包含的功能为实时地理位置查询，电子围栏，语音通话以及查看视障人士发出的求助信息；小明同行适用对象为视障人士，采用语音交互，包含功能为视障人士交友与图文识别和当地交通状况查询，辅助视障人士出行、生活、工作、交友。

　　本设计相对于传统导盲手段，响应速度更快，功能更加齐全，成本更低，可行性更高。

　　图1导盲系统结构示意图

　　2.导盲杖硬件结构

　　导盲系统中导盲杖基于地面下内置RFID标签的导航装置，通过无线电讯号识别特定目标并读取相关数据，结合双频GPS定位技术获取位置信息并读取相关数据，给予视障人士反馈不同的位置信息，实现对视障人士的导航，同时，可以把具体路况信息反馈给视障人士，也可以把视障人士的状态反馈给视障人士家属，让视障人士出行更加安全高效。

　　参见图1，所述导盲手杖的硬件部分包括：电源开关1、手柄2、输入装置3、主控系统4、避障系统5、撑杆6、导航信息获取装置7、跌倒防护系统8。

　　手柄2外壳采用TPE（热塑性弹性塑胶）制成，表面螺旋条形，凹点花纹，防滑耐用；内置1030扁平马达震动器及电源模块，1030扁平马达震动器可以为视障人士提供警示信息，电源模块则为整个导盲杖提供电源，且电源模块带自检功能，当电池电量过低时会报警，提醒视障人士充电或更换电池。

　　输入装置3为操作按键。操作按键包含：导航模式切换键、SOS一键求救键、打车键、当前位置键、导航键、报时键以及音量调节键；其中，所有按键均采用盲文。

　　主控系统4，如图2，主控系统包含：处理单元、输出单元、存储单元，处理单元是ARM架构的MCU，包含进行系统运算、环境信息获取、控制指令获取、位置信息获取、运动状态获取、对存储单元的写入和读出、对输出单元的控制等工作，输出单元包含语音模块、GSM模块及扁平马达震动器，可以向客户端发出提示、求救等信息，存储单元是EPROM或flash，主要用于存储语音信息、位置信息。本系统中的手机APP通过互联网，实现视障人士与视障人士家属通信，视障人士之间相互通信。

　　避障系统5包含超声测距模块和红外测距模块，将超声、红外两种测距方式的优势结合，来实现准确避障。

　　撑杆6采用铝合金制成，密度低，强度高，分段式可折叠方便携带或存放，且表面涂有反光材料，可提醒路人注意避让。

　　导航信息获取装置7外壳采用pa66尼龙制成，耐磨性好，抗冲击性好，强度高。内置RFID阅读器和双频GPS模块，其中，RFID阅读器主要应用于卫星信号不稳定的室内等地方导航，事先将内置RFID标签的导航装置预埋在地面下，通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据；双频GPS模块主要应用于卫星信号稳定的地方导航，相对于GPS定位，双频GPS系统采集L1+L5两频段数据进行融合运算，日常使用场景定位精度可达1-2m；RFID阅读器和双频GPS模块结合确保获取全地域的地理位置，同时为视障人士提供更加精确的导航信息。

　　跌倒防护系统8为10轴陀螺仪传感器，通过10轴陀螺仪传感器采集当前的动作及方位信息传输给处理单元，判断视障人士行走方向及是否跌倒，反馈提示和求救信息。

　　导盲杖还包括有线耳机接口和蓝牙耳机接口，以满足视障人士的使用需求。

　　图2主控系统的结构示意图

　　3.软件设计

　　系统包括设置在无卫星信号的地点关键位置的RFID标签，导盲杖的硬件部分及配合导盲杖硬件部分工作的手机APP。需要软硬件结合系统才能够正常工作。

　　其中导盲杖的设计思路分为三大功能模块。首先，如图2，将输入装置，避障装置，导航装置，跌倒防护装置采集到的数据传给ARM架构的MCU。然后，MCU对读取的数据进行处理。最后，MCU发出指令，由输出单元输出。输出单元主要包含语音模块及扁平马达震动器，用于提示视障人士及视障人士周围行人；GSM模块用于向视障人士家属发出求救提示、地理坐标等信息。MCU软件程序的设计思路主要可分为三个步骤，系统初始化、硬件检测以及数据处理及判断。系统初始化时程序的起始，是必不可少的一部分，它将确保各装置能否正常工作；硬件检测可以确保每一部分都正常工作，能够极大减少程序调试时间；数据处理及判断算法是整个程序的核心，来自各个装置的数据需要综合判断以减小误差。MCU的总体流程图如图3所示。

　　图3MCU总体流程图

　　4.测试与结语

　　测试选取了绵阳火车站站内和站外2000m路段，以盲人的视觉在盲道上进行了导盲杖性能测试，检测发现：①无论是在室内等无卫星信号的地点，还是在室外等卫星信号较强的地点均可以实现精确定位（误差在01m-0.5m），判断方向并引导盲人行走；②在测试时，盲道上遇到障碍物（石头、垃圾桶、行人等）共20处，导盲杖在靠近障碍物时均发出提示信息；③在盲人跌倒时均向行人发出求救信息同时给盲人家属发出地理坐标及求救信息；④当盲人走出家属设置的电子围栏时均提示盲人及家属；⑤当盲人触发刻有盲文的按键时，均可以做出相应指令；⑥家属可以通过手机APP查看盲人地理坐标，可以设置电子围栏；⑦盲人可以使用手机APP进行交友。

　　综上，本系统可以为视障人士精确导航、躲避障碍、发送求救信息、跌倒防护，使用方便响应速度快，辅助视障人士出行、生活、工作、交友；同时可以为视障人士家属监护视障人士提供更有效便捷的方法。

　　参考文献

　　[1]张靖雪，许泽天，胡沛.智能便携导盲杖设计[J].科技风，2017，（26）：1-2

　　[2]张东方，解珂，陈强强.多模块智能语音导盲杖[J].福建电脑，2018，34（7）：48-49

　　作者罗攀吴兴龙冯羽梁晓剑沈荃文温才