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基于物聯網技術的嵌入式導盲手套
摘 要：根據盲人生活中的實際困難，設計了基于物聯網技術的嵌入式多功能導盲手套。該手套通過超聲測距實現避障功能，通過顏色傳感器和顏色標簽實現物體識別，通過物聯網技術實現導航、定位、授時、報警等功能，并以舵機和語音播報兩種方式進行信息反饋，與傳統導盲機器相比具有使用方便，價格低廉，功能豐富的特點。 關鍵詞：導盲；物聯網；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，導盲杖作為最常見的行動輔具功能單一，環境適應性差；而導盲犬訓練耗時，價格高昂，推廣難度大，所以導盲機器成為必然選擇。導盲機器根據所解決的問題不同分為避障導盲，定位導盲salifelink.com，識別導盲，學習導盲等幾個類別，并日益向著智能化，復合化發展。常見的導盲機器有四類：電子式行進輔具，移動式機器人，穿戴式行進輔具和導引式手杖。現有的導盲機器存在獨立檢測和處理環境信息的缺陷，因而硬件成本必然隨著檢測的信息增加而增加，使得功能拓展受限于信息獲取。 物聯網（The Internet of things）的概念最早由美國麻省理工學院的Kevin Ash-ton教授在1991年提出，是指使用信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網技術因其強大的開發潛力被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮，同時也被列為我國五大新興戰略性產業之一[1]。本文將物聯網技術和現有導盲技術結合，通過網絡通信建立對行動的支持，可以在不增加硬件成本的情況下拓展導航定位，天氣預報，救援呼叫等功能。 在數據采集上，現有導盲機器只注重對環境的空間感知，而缺乏對顏色信息的反饋。事實上顏色在物體辨識、情緒調節、社會交流等方面包含了豐富的信息。本設計增加了對顏色的檢測，體現了對盲人群體的人文關懷，增加了盲人對產品的安全感和依賴感。 導盲機器大多是基于觸覺和聽覺設計的[2]，而手是觸覺最集中和敏感的區域，故將導盲系統集成到手套上，同時包含了語音播報功能，使之兼具良好的信息反饋能力和便攜特征。 1 系統硬件設計 1.1 硬件布局 傳感器和執行機構放置于右手手套，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，輸入設備包括超聲波傳感器、顏色傳感器、GPS模塊和鍵盤，輸出設備包括舵機和耳機接口，此外還通過SIM300實現與云端的通信。S3C2440采用最小系統核心板加擴展板的雙層構架，可配置1GB閃存，128M內存。 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穩壓芯片將12V電壓轉為5V輸出。系統滿電狀態下可工作4h。 1.4 人機交互 鍵盤和語音播報用于人機交互。按鍵用于下達指令，語音播報用于確認按鍵命令和用戶獲取信息，對耳機的支持保證了對環境的最小干擾和對盲人隱私的有效保護。本設計包含一個4*4的按鍵模塊和包含左右聲道的3.5mm耳機接口，為功能選項提供支持。 1.5 超聲測距 超聲波傳感器發射和接受超聲波，利用發射時間和接收時間的間隔計算距離[3][4]。本文選用HC-SR04超聲波測距模塊，這款超聲波測距模塊采用一個超聲波發生器和一個超聲波接收器，探測距離為2～450cm，感應角度不大于15度，探測精度為0.3cm，工作電壓為5v。我們將三個超聲波發射器相互成45度夾角成一線放置（如圖2），實現同時對上、中、下（垂直方式）或左、中、右（水平方式）三個方向的距離信息采集。垂直方式是為了幫助盲人實現等身高度的避障測量，水平方式是為了快速尋找過道和門等穿行環境。 圖2 舵機是距離信息的反饋元件。本文使用三個舵機將三個超聲波傳感器的距離信息轉換為偏角，舵機牽動遙感機構，將偏角轉換為觸鈕的伸縮長度，從而將真實距離縮放到手指可感受的范圍。與傳統的避障檢測相比，這種方式能提供連續的距離信息�？紤]到傳感器的特性和盲人生活的實際，把距離檢測范圍定為4米以內。 1.6 顏色識別 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換器，它把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了RGB三種濾光器。 顏色名詞是一個離散的概念，如紅、藍、淺藍等。TCS230采集到物體的RGB數值后，再歸并為常見的七種顏色信息，通過語音播報反饋。顏色傳感器有兩種使用方式，一種是配合標準顏色標簽，將顏色標簽貼在固定的位置，作為顏色開關，用于系列物體的快速檢索；另一種是自由檢測生活中各種常見物體的顏色，得到粗略的顏色信息。 顏色傳感器在檢測顏色的時候需要采用高亮白色LED燈反射光。我們在手套背部設計了顏色傳感器的開關，平時處于關閉狀態，在需要使用的時候打開開關，保證了省電和對環境的最小影響。 1.7 導航定位 本文使用NEO-6M GPS模塊，實現自身的定位。為實現導航功能，每10s將自身的位置信息和預置的目標點位置信息通過SIM300模塊以短信形式上傳到云端，再把云端導航軟件處理得到的信息以短信形式接收，轉換為語音播報信息反饋給用戶，指示是否前進或轉向。 其它網絡功能包括報時、天氣預報和報警等，基本實現也是通過SIM300模塊把特定的信息發送到云端，由云端進行處理，再接收返回的信息。 2 系統軟件設計 2.1 嵌入式應用程序 嵌入式系統中的程序使用多線程并發執行，主線程循環檢測按鍵狀態，捕獲按鍵命令后創建對應的子線程。 超聲測距線程中，三個超聲傳感器分時檢測距離信息并輸出到舵機執行機構，避免了超聲波的相互干擾。因為超聲傳感器發射錐形波，在復雜環境中會有明顯的自擾，導致反饋的信息振蕩。為解決這個問題，使用距離平均值算法和濾波算法，程序流程如圖3。 顏色識別線程中，將讀取到的RGB數值轉化到HSV顏色空間，再利用H變量進行顏色判斷，判斷結果以語音播報的形式進行反饋。 2.2 系統云端 系統云端包括短信收發終端、數據庫和互聯網計算機，短信收發終端將接收到的信息傳給互聯網計算機進行處理，再發送返回的信息；數據庫對導盲手套的注冊信息進行管理，如圖4所示。 圖4 3 結束語 試驗證明，該設計能實現預想的導盲功能。目前該設計的網絡功能有限，但是其基于物聯網的開發前景廣闊，這也有待于盲人網絡應用技術的進一步發展。 參考文獻 [1]劉強，崔莉，陳海明.物聯網關鍵技術與應用[J].計算機科學， 2010，37（6）：1-4. [2]張瑩.基于嵌入式技術的導盲機器人設計[D].浙江工業大學：張瑩，2011. [3]張彥潮.基于超聲檢測技術的智能導盲杖控制器設計[J].高等教育研究，2009，（8）：194-195. [4]曲霄紅，薄文彥.基于超聲波測距的導盲儀設計研究[J].山西大同大學學報，2011，27（6）：27-29.
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