摘 要: 主要研究一種基于RFID的交互式盲杖,,此交互式盲杖由兩部分組成,盲杖部分由盲人持有,,有源電子標簽部分由盲人的親朋好友所攜帶,。適用人群是盲人及一些弱視群體。主要實現(xiàn)兩大功能,,避障和社交,。利用傳統(tǒng)的超聲波裝置實現(xiàn)避障,,當前方2 m內(nèi)有障礙物時通過語音提示盲人繞道行走;同時利用射頻識別技術(shù)(RFID)識別周邊4 m內(nèi)的熟人,,通過語音告訴盲人熟人的信息,,以此實現(xiàn)盲人主動與熟人打招呼。相較于市面上廣泛存在的智能盲人用品,,此裝置主要實現(xiàn)社交功能,。
關(guān)鍵詞: RFID;超聲波,;盲杖,;社交
0 引言
目前,全球大概有4 500萬盲人,,視力障礙患者大約有1.35億人,,中國大概有900萬視力殘疾者。隨著人類科學技術(shù)的進步,,面對龐大的盲人人群,,他們的生活需要備受人們的關(guān)注。如何切實提高盲人的生活質(zhì)量成為如今面臨的一大挑戰(zhàn),。
根據(jù)2010年優(yōu)愛盲人需求調(diào)研顯示,,目前盲人面臨的極大難題如圖1所示。
目前國內(nèi)外有諸多類型的智能導盲用品,,如導盲機器人[1],、紅外線導盲、盲人電子眼鏡,、GPRS(General Packet Radio Service,,通用分組無線服務技術(shù))導盲系統(tǒng)[2-3]等,但這些導盲設施大多成本過高或攜帶不便,。劉湘云,、張?zhí)m[4-5]等學者研究了基于超聲波技術(shù)的導盲系統(tǒng)的設計,詳細介紹了超聲波導盲的原理,、硬件設計和軟件設計,。超聲波導盲技術(shù)已相對成熟,運用也十分普遍,。但是在盲人社交方面的盲人用品寥寥無幾,。怎樣幫助盲人提升自信,體現(xiàn)他們的存在感,,是交互式盲杖設計的重點,。實現(xiàn)盲人主動向熟人朋友打招呼,先“看”到正常人,將會增強盲人朋友的社交欲望,,使他們不再局限于自己的世界里,。
1 理論基礎
這里主要介紹超聲波避障的基本原理以及射頻識別技術(shù)(RFID)的工作原理。
1.1 超聲波技術(shù)
超聲波的振動頻率大于20 000 Hz,,其每秒的振動次數(shù)(頻率)甚高,,超出了人耳聽覺的上限(20 000 Hz),人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波,。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,,在發(fā)射的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,,遇到障礙物立即返回,,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時,超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s,,根據(jù)計時器記錄的時間t,,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s(即:s=340t/2),這與雷達系統(tǒng)測距原理相似,。如圖2所示,。
1.2 射頻識別(RFID)技術(shù)
射頻識別(Radio Frequency Identification)是一種無線通信技術(shù),可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù),,而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸[6-7],。一套完整的射頻識別(RFID)系統(tǒng)由閱讀器(Reader)、電子標簽(TAG)(又稱應答器(Transponder))及應用軟件系統(tǒng)三個部分組成,。
電子標簽(或稱應答器)由耦合元件及芯片組成,,每個標簽具有唯一的電子編碼,附著在物體上標識目標對象,。閱讀器有時也稱為查詢器,、讀寫器或讀出裝置,主要由無線收發(fā)模塊,、無線控制模塊及接口電路等組成,。閱讀器主要是用于讀取標簽信息,可設計為手持式或固定式,。在實際應用中,,電子標簽附著在待識別物體的表面,當標簽進入天線的覆蓋范圍內(nèi),,閱讀器可無接觸地通過接收標簽發(fā)出的無線電波讀取并識別射頻標簽中所保存的電子數(shù)據(jù),,從而達到自動識別物體的目的。
電子標簽根據(jù)供電方式的不同一般可分為有源標簽(Active tag),、半有源標簽(Semiactive tag)和無源標簽(Passive tag),。生活中所常見的飯卡就是無源標簽,。有源標簽內(nèi)裝有電池,,價格比無源標簽較貴,,但是目前無源標簽的閱讀范圍太小,達不到本文的射程要求,,所以本文設計選擇有源電子標簽,。
2 總體設計方案
此手持交互式盲杖主要分為兩部分:一部分是交互式盲杖,由盲人所持有,,另一部分是有源電子標簽,,由盲人的親朋好友所攜帶。有源電子標簽通過射頻識別技術(shù)被盲杖上的閱讀器識別,,從而讀取到標簽上的信息,,再通過盲杖上的語音模塊告知盲人好友信息。盲杖上的超聲波探頭用以測量2 m內(nèi)是否有障礙物,,并及時通過語音模塊提醒盲人繞道而行,。
本裝置包括塑料外殼、存儲模塊,、超聲波模塊,、錄音模塊、語音播放模塊,、RFID模塊,、按鍵選擇模塊、微處理器,、穩(wěn)壓電源模塊,、標簽。各個模塊與微處理器的I/O口相連接,。其中語音播放模塊與錄音模塊組成了語音錄放模塊,。如圖3所示為本裝置系統(tǒng)框圖。
2.1 超聲波模塊
為了檢測到前方的障礙物,,及時提醒用戶避開障礙物,,避免撞上受到傷害,設計的手持交互式裝置通過超聲波模塊來完成,。超聲波模塊與微處理器直接相連,。超聲波模塊正面有兩個超聲波探頭,負責超聲波的發(fā)射和接收,。該模塊有兩組接口,,即位于模塊背面的模式選擇跳線和5個Pin接口(從左向右命名為Pin1~ Pin5),間距均為2.54 mm,。用微處理器控制超聲波模塊的發(fā)射探頭發(fā)出約40 kHz的超聲波,,超聲波遇到障礙物就會發(fā)生反射,在一定的范圍內(nèi),接收探頭能夠接收其反射回來的超聲波,,并通過技術(shù)處理,,轉(zhuǎn)化為高低電平信號,再傳遞給微處理器進行進一步的處理,。
超聲波模塊主要用于測障礙物,,其實物圖如圖4所示。該裝置的超聲波模塊采用HC-SR04,,HC-SR04具體由臺灣STC公司生產(chǎn)的芯片STC11,、美國DALLAS公司生產(chǎn)的芯片MAX232、芯片TL074,,以及一些電阻,、電容、PNP,、NPN,、微型喇叭組成。HC-SR04由穩(wěn)壓電源模塊供給穩(wěn)定的5 V直流電源,,其VCC端口與穩(wěn)壓電源模塊分流,、穩(wěn)壓后得到的5 V直流電源相連。發(fā)射端口Trig端口與STC公司生產(chǎn)的單片機STC15L2K60S2的P2.7口單線相連,,單片機STC15L2K60S2的指令通過單線接口P2.7傳送到端口Trig,,Trig即觸發(fā)控制信號輸入,從而能夠控制超聲波模塊開始工作,。HC-SR04的端口Echo是回響信號輸出端口,,此端口與單片機STC15L2K60S2的引腳P2.6直接相連,有信號返回時,,通過I/O口Echo輸出一個高電平,,也即可知前方有障礙物。這個信息會返回給單片機STC15L2K60S2進行下一步的處理,。HC-SR04的GND端口接地,。超聲模塊工作流程如圖5所示。
2.2 RFID模塊
為了實現(xiàn)此設計的社交功能,,采用RFID模塊和標簽,。RFID模塊與微處器直接相連,鑲嵌在盲杖的表面,,標簽由熟人攜帶,。RFID模塊主要由無線接收器、天線,、數(shù)據(jù)處理模塊等功能模塊組成,,工作在2.4 GHz~2.5 GHz微波段,,內(nèi)置天線,可有效識別半徑8 m以內(nèi)的電子標簽,。若安裝高增益外置天線,,最遠識別距離可達50 m。有源標識卡即電子標簽,,不斷主動向外發(fā)出無線電信號(1秒鐘發(fā)送3次),,并且能夠傳遞很遠的距離,該無線信號是有編碼的,,每個標識卡的編碼是唯一的。標識卡發(fā)出的無線信號如果是在RFID模塊中讀卡器的有效測量距離內(nèi),,則該無線信號通過讀卡器上的天線被讀卡器接收并解碼,,然后可以通過TTL232接口將接收到的信息發(fā)送給微處理器進行處理。
本裝置RFID模塊的設計采用荷蘭DSM公司生產(chǎn)的DSM-300模塊實現(xiàn),。此模塊共有6個端口,。其中DSM-300的端口1與穩(wěn)壓電源模塊分流、穩(wěn)壓后得到的3.3 V直流電源相連,,以供給整個RFID模塊用電,;端口2和端口5為空;端口3(TxD端)與單片機STC15L2K60S2的P3.0(RxD端)相連,;端口4(RxD端)與單片機STC15L2K60S2的P3.1(TxD端)相連,;端口6接地。將所有模塊的GND端連在一起,,實現(xiàn)共地,,完成RFID模塊與微處理器之間的信息溝通。其工作流程圖如圖6所示,。
2.3 其他模塊
微處理器采用STC公司生產(chǎn)的型號為STC15L2K60S2的芯片,,用以協(xié)調(diào)各個模塊穩(wěn)定工作。STC15L2K60S2芯片上共有44個引腳,,每個引腳的功能各不相同,。穩(wěn)壓電源模塊為了攜帶方便,本文選取在內(nèi)部電池組供電,,再通過整流,、濾波、穩(wěn)壓一系列變化得到需要的恒定電壓,。采用惠斯通電橋進行整流,,并聯(lián)電容進行濾波,采用TI公司生產(chǎn)的LM78系列三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓,。語音播放模塊將需要播報的語音首先錄入美國ISD公司生產(chǎn)的ISD1760,,STC15L2K60S2的P0.4口~P0.7口分別與ISD1760的MISO,、MOSI、SCLK,、SS相連,,這樣微處理器就能夠直接調(diào)用錄入ISD1760的每一段語音的地址,進行語音播報,。
3 結(jié)論
由于技術(shù)上的不足和實驗條件的有限,,此交互式盲杖還存在一定的不足。超聲波導盲的缺點是不能探測到凹坑等障礙物,,傳播會受到衍射,、散射和吸收的影響,所以超聲波導盲存在漏檢盲區(qū)信息的問題,。利用射頻識別技術(shù)進行社交還存在一些問題,,比如自主設置射程距離、有源標簽價格較貴等問題,。隨著射頻識別技術(shù)的逐步完善,,無芯片射頻標簽的進一步研究,未來可以用無芯片標簽代替有源標簽,,以節(jié)省成本,。市面上已經(jīng)存在利用射頻識別技術(shù)的一些盲人用品,但是在盲人社交方面相關(guān)產(chǎn)品還是很稀缺,,利用射頻識別技術(shù)來幫助盲人社交在未來會更完善,。
參考文獻
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