《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種新型盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
寧志剛, 楊保柱, 楊 玲, 黃智偉
南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 湖南 衡陽 421001
摘要: 采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng),,該系統(tǒng)具有GPS定位、超聲測(cè)距,、物體識(shí)別和語音提示功能,。
中圖分類號(hào): TP393.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
A new-type design of blind people recognizing and assistant walking system
NING Zhi Gang, YANG Bao Zhu, YANG Ling, HUANG Zhi Wei
College of Electrical Engineering, Nanhua University, Hengyang 421001, China
Abstract: ZigBee wireless sensor network technology is employed to design blind people recognizing and assistant walking system, which has the functions of GPS positioning, ultrasonic ranging, object recognition and voice prompt.
Key words : recognizing and assistant walking; ZigBee wireless sensor network; node design

    世界各國(guó)存在數(shù)量龐大的視覺殘疾人。如何提高他們的生活質(zhì)量,,解決盲人的出行,,已經(jīng)成為全世界各國(guó)共同關(guān)注的問題。目前,,盲人仍主要依靠探路棍、簡(jiǎn)單的觸覺來認(rèn)識(shí)世界,。我國(guó)盲人用品用具市場(chǎng)存在兩極分化的現(xiàn)狀,,低端的生活學(xué)習(xí)用品、用具較為豐富,,而高端的產(chǎn)品卻極為稀缺,。當(dāng)前市場(chǎng)上的助盲器材成型產(chǎn)品僅處于障礙物報(bào)警的初始水平,實(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足盲人的生活需求。世界上有許多國(guó)家和科研機(jī)構(gòu)正在研發(fā)盲人導(dǎo)行識(shí)別裝置,。例如,,盲人雙耳語音提示系統(tǒng)[1],采用超聲波對(duì)障礙物,、路面紋理變化情況等進(jìn)行檢測(cè),,通過聲音信號(hào)進(jìn)行提示;李廣強(qiáng)利用DSP處理器開發(fā)了助盲識(shí)別、語音提示系統(tǒng)[2];陳美鑾采用超聲測(cè)距,、語音報(bào)警的方法設(shè)計(jì)智能盲人導(dǎo)行儀[3];謝強(qiáng)將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)頻式的音頻信號(hào)的方法,,設(shè)計(jì)電子助盲器[4];賀菊方采用超聲測(cè)距,將超聲波轉(zhuǎn)化為聲波的方法設(shè)計(jì)幫助盲人行走、識(shí)別障礙物的電子裝置[5],。本文則利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一種新型的盲人導(dǎo)行識(shí)別系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)利用GPS測(cè)量盲人具體位置,利用超聲波測(cè)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(luò)傳輸給計(jì)算機(jī),,信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將輸出結(jié)果傳送給語音控制板,經(jīng)語音合成處理后為盲人進(jìn)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(shí)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(shí),,該系統(tǒng)也能幫助盲人識(shí)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(luò)進(jìn)行信號(hào)無線傳輸,其原理圖如圖1所示,。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括普通節(jié)點(diǎn)、sink節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),。普通節(jié)點(diǎn)通過傳感器完成數(shù)據(jù)采集,,sink節(jié)點(diǎn)進(jìn)行多跳中繼傳輸,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過RS485串行通信把匯集的信息傳輸給PC機(jī),。本系統(tǒng)的普通節(jié)點(diǎn)包括GPS測(cè)量位置,、超聲測(cè)距、圖像采集和語音提示模塊,。單個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)可覆蓋10 m,,在室外可覆蓋30 m~75 m。sink節(jié)點(diǎn)可將信號(hào)進(jìn)行多跳中繼傳輸,,從而擴(kuò)展ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是一個(gè)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(gè)部分組成,,如圖2所示,。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)信息的采集并將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào),傳送給微處理器模塊,;微處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作,、路由協(xié)議、功耗管理,、任務(wù)管理等,。本系統(tǒng)采用的ZigBee硬件平臺(tái)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(gè)嵌入式32位ARM7微控制器,,帶有512 KB嵌入式的高速Flash存儲(chǔ)器和32 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM,具有2個(gè)8 路10位A/D轉(zhuǎn)換器,、1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器,、47個(gè)GPIO及9 個(gè)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(biāo)準(zhǔn),,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(gè)不同的信道,采用正交QPSK調(diào)制和直接序列擴(kuò)頻編碼,,通過1個(gè)4線串行接口與MCU通信,。數(shù)據(jù)采集模塊中的A/D轉(zhuǎn)換器選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7674,具有18位高精度分辨率,最大轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率可達(dá)800 MHz,。    

3 射頻通信電路的設(shè)計(jì)

 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(gè)4.7 ?滋F的穩(wěn)壓電容,。引腳VDDA、VDDLO1,、VDDLO2并聯(lián),,外接1個(gè)100 nF的濾波電容,3個(gè)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(nèi)部整流的數(shù)字電壓,。VDDVCO為VCO電路供電,外接1個(gè)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(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)。RFIN-和RFIN+為接收通道,,2個(gè)18 pF的電容能濾除高頻干擾信號(hào),。PAO-、PAO+為發(fā)送通道,,這2個(gè)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(cè)電路設(shè)計(jì)
    超聲波測(cè)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(zhì)(空氣)傳輸后從被測(cè)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(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間t,可計(jì)算出從探頭到物體表面之間的距離L:

   
    超聲測(cè)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(hào)由555時(shí)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,。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    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(wù)模塊等。通信服務(wù)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(diào)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(shè)置ZigBee模塊參數(shù),,包括內(nèi)部各種寄存器的設(shè)置、工作模式的設(shè)置(如波特率)等,。建立通信鏈路模塊用來建立節(jié)點(diǎn)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(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。打包發(fā)送模塊是當(dāng)信息打包后發(fā)送時(shí),,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(yàn),,并根據(jù)校驗(yàn)結(jié)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(cè)量盲人位置,采用超聲波測(cè)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(luò)傳輸數(shù)據(jù),采集信息經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后給盲人語音提示,。本設(shè)計(jì)涉及無線通信與無線技術(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像傳輸及處理技術(shù),、語音信號(hào)處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多交叉學(xué)科,。該系統(tǒng)是盲人識(shí)別導(dǎo)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)效益和社會(huì)效益。
參考文獻(xiàn)
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[4] 謝強(qiáng).電子助盲器.中國(guó): No.CN2650066Y[P].2004,10.
[5] 賀菊方,潘國(guó)華,何俊峰.用于幫助盲人行走,、識(shí)別障礙物的電子裝置.中國(guó): No.CN2843397Y[P].2006,12.

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