基于STM32传感技术的智能防跌倒的导盲鞋设计.pdf

现如今，在大街上很难看到盲人。为了盲人能在路上安全地行走，本文设计了一种智能防跌倒的导盲鞋，通过检测路面的障碍物，准确地判断出地面距离还是障碍物距离，如果判断出的结果是障碍物距离，导盲鞋会发出警报，提醒盲人根据当前的情况作出相应的反应，亲人可通过网络远程看到盲人的位置。该设计以STM32为主控芯片，配合一些传感器使得导盲鞋集成了避障、GPS定位、语音报警等功能，解决盲人出行的难题。经过分析和验证，结果表明该导盲鞋可以有效地避免跌倒事故的发生，达到预期目标。关键词：盲人；导盲鞋；STM32；GPS定位0 引言 随着科技的不断进步，如今的智能手机能够帮助盲人解决生活中的一些问题，但为盲人设计的智能产品不多。在日常生活中，更多的盲人选择留在家里而很少外出。面对日益严峻的生存考验，盲人的出行问题引起了社会广泛的关注。跌倒是对盲人的身心健康产生影响的主要因素。为了让盲人在社会中更好地生存，本研究专门设计并实现了一种集避障、GPS 定位、语音报警等多功能于一体的防跌倒导盲鞋，盲人穿上后可以在路上安全地行走。盲人跌倒有很多种影响因素。首先，从身体因素来讲，盲人视力较弱，无法看清路面情况，是主要因素。其次，特别是老年视障者，这与其年岁高、身体弱、身体机能减退、肌肉萎缩等有关。最后，从外界因素来讲，如果周围环境出现了突变，视障人士无法适时做出正确反应并维持身体平衡，很有机会摔倒。而且，人们在实际生活中会看到一些盲道被人占用。总而言之，视觉障碍者跌倒的原因可归结为以下几点：老年人由于岁数的增加，其身体各项功能都出现了显著的变化，由于存在骨骼肌系统机能衰退，从而引起肌肉、关节等机能的下降，移动能力减弱了，加上盲人看不见东西，导致盲人走路不稳，然后下肢无力跌倒了。在周围环境因素方面，视觉障碍者容易在以下情形跌倒，例如地面板砖光滑、道路不平坦潮湿等。占用盲道，生活当中我们会看到一些盲道由于较少的使用而被占用，所以一些人会用来停车或者是在上面行走。1 智能防跌倒导盲鞋的原理本文设计的一种具有语音报警功能的智能防跌倒导盲鞋具体设计思路如图 1 所示，主要由 STM32 单片机、超声波模块、语音模块、4GDTU 模块、GPS 定位模块和电源部分组成1。该装置主要是通过超声波传感器检测正前方距离，完成警报和避障作用。盲人在常规走路时不一定一直是水平的，歪斜的时候需要精确测量设备与地面之间的距离，融合陀螺仪的角度信息可以准确地判断出地面距离或是阻碍物距离，保障盲人的安全。假如分辨出的结果是阻碍物距离，导盲鞋会发出报警的声音。通过 GPS 定位装置，能够获得当前的纬度和经度信息，融合地图卫星数据信息得到盲人的地理位置。那样，盲人迷了路的时候就可以听到设备播报所在位置。4GDTU 模块可以通过网络获得地图信息后，将位置信息上传至云，亲人可以通过网络看到盲人的当前位置。通过以上模块的组合，实现了避障、语音播报和远程查看位置的功能2。图 1总体方案设计图2 整体结构设计 2.1 主控部分本设计采用的主控芯片型号为 STM32F103C8T6，其功耗低，价格与家族其他芯片相比较低，算力不差。该芯片基wwwele169com|49智能应用于 ARMCortex-M 内 核，具有高效处理能力，可以实现更为复杂的算法和更加灵活的控制策略。同时，它具备丰富的外设接口资源，如2个SPI总线协议、2 个 IIC 总 线 协 议、3 个USART 串口、1 个 CAN 通信、37 个可控制 I/O 口以及 2 个 12 位的 ADC 采集通道、外加多种定时器等。此外，该芯片工作电压为2V 3.6V，有 64KB 的程序存储容量，这样可以提高系统的可靠性和稳定性。2.2 电源部分该设计是一种移动智能可穿戴设备，通常应用锂电池为该设备供电3。现阶段锂电池单个电压一般为 3.74.2V，但 GPS 模块、超声波模块等都是 5V 供电，因此本文选择市面上的 5V 锂电池组。本设计采用的 5V 锂电池组是一种可充电电池，它主要依靠 Li+在正、负极之间移动来工作。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。另外，锂电池因具有重量轻、无记忆效应等特点被许多人用作电子设备的电源。2.3 传感器部分本设计采用 HC-SR04 超声波测距模块来实现测距的功能，其范围 2cm400cm 完全可以适应设计的要求，并且测距精度高。超声波传感器在进行测距时，其发射部分会向前方发射一次超声波并开启计时。超声波向周围空气中扩散，如果在途中遇到障碍物，超声波会被反射回来，传感器则会在收到返回的声波信号时停止计时4。根据测算声波在空气中的飞行时间，可以获得障碍物之间的距离。为了让导盲鞋实现防跌倒功能，陀螺仪使用 MPU6050模块，其内部整合了三轴 MEMS 陀螺仪、三轴 MEMS 加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器 DMP。IIC 数据通信接口读取到 MPU6050 的 6 轴原始数据，然后再利用STM32 进行滤波、数据处理和计算，就能得到角度信息和加速度信息。使用陀螺仪和加速度计的数据，可以监测盲人的步行情况，并根据盲人的步频、步幅等信息统计步数。同时，通过检测加速度计的信号，还可以及时发现盲人是否出现了摔倒风险，并向盲人发送相应的警告信息。因为盲人在行走过程中，导盲鞋的鞋面方向可能与地面不一致，这样面向前方的超声波就很容易探测到地面，进而触发了声音报警。为了解决这个问题，我们对陀螺仪进行设置和校准。首先，在设备上电后，获取陀螺仪参数并将其设定为初始状态。然后，我们可以根据当前角度和初始角度的误差来限制测距条件。因此，只有在当前角度和初始角度误差 15以内时才能进行实时测距。盲人无法看清路面，为了方便他们能够知道自己当前的情形，本设计通过语音播报的方式告知他们。其原理是利用文本转换语音芯片，对传感器收集的文本数据交给 STM32处理，转化成语音信号后由蓝牙语音传输模块无线传输。本设计采用 CSR8635 蓝牙立体声音频模块，该模块支持A2DP、AVRCP、HFP、ACC 等。但因为目前市面上的语音芯片数量众多，同时还需要考虑和 STM32 主控芯片之间的兼容，而且也必须与现有的 CSR8635 蓝牙立体声音频模块进行比较好的适配，所以通过分析最终确定了 tts 语音文本合成模块。语音播报电路原理图如图 2 所示。2.4 GPS 定位部分GPS 定位模块属于被动定位，通讯卫星不会接收该模块发送的信号。通过该模块实现精确定位的功能，能够加快盲人出现意外摔倒后的援救速度。在进行 GPS 定位时，首先需要计算地球与每个卫星之间的伪距离，然后通过距离交会法求出接收端的经度、纬度、高度等信息。GPS 模块可以通过串行接口输出 NMEA 格式的定位信息及辅助信息，提供给用户查看和利用。设计采用的是 ATK-S1216F8-BD-V23 模块，该模块是一款高性能的双模定位模块，支持北斗在内的绝大多数卫图 2语音播报电路原理图50|电子制作2023 年 7 月智能应用星导航系统，能够接收到很多的卫星信号。模块核心采用SkyTraq 公司的 S1216F8-BD 模组，具有体积小，功耗低，灵敏度高等特点。2.5 4G 联网部分联网部分采用 ATK-M7514GDTU 模块，它能实现导盲鞋和软件智能终端的远程组网。该模块能够连通网络运营商的 4G 网，利用 MQTT 的技术为云平台上传输大量数据，从而完成了远距离控制的能力。4GDTU 模块采用串口通信方式获取数据，并与主控芯片 STM32F103C8T6 自带的串口通信功能配合使用，使得从主控芯片获取采集的数据变得简单。本设备采用 MQTT 协议的网络方式上传并接收数据，通过MQTT协议联网通信能够极大地提供稳定的网络连接，从而降低流量成本。实现 MQTT 协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，MQTT 协议中有三种身份：发布者（Publish）、代理（Broker）（服务器）、订阅者（Subscribe）。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。6MQTT 传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：（1）Topic，可以理解为消息的类型，订阅者订阅（Subscribe）后，就会收到该主题的消息内容（payload）；（2）payload，可以理解为消息的内容，是指订阅者具体要使用的内容。图 3 为 MQTT 协议的实现流程。图 3 MQTT 协议的实现流程3 系统的软件设计 3.1 系统整体程序流程设计根据系统的功能要求，得到系统的工作流程如图 4 所示。当系统开始运作时，亲人通过手机设置救援电话，当盲人穿上导盲鞋后，各个模块开始工作，跌倒模块实时采集数据并计算，根据计算结果判断盲人是否跌倒，如果判断出盲人未跌倒，就一直重复检测，如果检测到跌倒事故发生，立即发出声音警报并且通知给后台服务。此时，亲人会收到来自 app 的推送，从而得知盲人跌倒。亲人打开 app 后，找到GPS定位的按钮并按下，获取盲人当下的地理位置信息。如果自己此时无法来到盲人跌倒的地方，可以选择报警按钮并按下，找到事先存储的救援电话并发送位置信息。此外，为了让盲人家属快速地掌握 app 的使用，在界面设计上以良好的互动性与可理解性为设计准则，并尽量地做到简洁，美观。3.2 跌倒检测系统设计系统物理框架结构图如图 5 所示，盲人穿上导盲鞋后，通过内置的传感器实时监测人体运动姿态以获取盲人的运动数据。监测过程中，加速度传感器和陀螺仪会同时采集信号。这些信号在通过滤波处理后，会形成三维空间下的运动参数。运动参数经过跌倒检测算法分析后，如果发现异常，则立即通过语音报警提醒盲人注意安全。同时，GPS 定位模块可以获取盲人当前的物理位置信息，并 且 通 过 Baidu 提 供 的位置解析工具获得危险发生的街道等详细信息。当系统检测到危险情况后，会把盲人当前的地理位置信息发送至预设的救援电话，这些信息将通过手机接收并储存在 app 中。此时，app 会对收到的信息进行处理，获取到盲人当下的地理位置，并发送短信给设定的救援电话。另外，app 提供实时推送的功能，当导盲鞋配合手机连接 app 后，亲人可以通过实时推送收到最新信息，并迅速在第一时间作出应对。4 创新点（1）导盲鞋是为了应对不同场景下的情况而设计，有效保障盲人的安全出行，节省社会资源和人力资源。（2）缓解导盲犬现状：目前，我国导盲犬投入成本大，图 4系统工作流程（下转第 86 页）图 5系统物理框架结构图86|电子制作2023 年 7 月信息工程合，可以实现使 LMS 算法加快收敛速度和减小稳态误差的双重效果。4 结语LMS 算法是当前应用最广泛的自适应滤波算法之一，本文介绍了 LMS 算法以及算法优劣点，并且从深度学习 Adagrad 算法的角度对 LMS 算法的劣势固定步长做了优化，使改进后的算法比原本的算法在收敛速度方面更快在稳态误差方面更小。并且通过 Matlab 仿真验证。结果表明改进后算法收敛快误差小，满足了加速收敛和同时减少稳态误差的双重效果，能有效地提高滤波器滤波效果。参考文献 1 李忠政,董昱廷,曹新慧,等.基于自适应滤波算法的信号处理研究 J.微型电脑应用,2022(002):038.2 罗斌,张海生,王晓林.一种适用于水声环境的变步长 LMS算法 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MQTT 协议的智慧农业大棚测控系统研究 J.北方园艺，2020（23）：161-171.图 7LMS 算法误差图 8改进 LMS 算法误差 （上接第 50 页）