基于STM32的多功能智能导盲系统设计研究

张志永++张庆辉

摘要：本系统是针对流行导盲系统功能单一问题而设计，能更好的满足盲人出行的需要。系统总共包括四个模块：一，STM32核心处理系统模块；二，超声波测距模块；三，GPRS/GSM定位与通信模块；四，CCD图像采集模块。该系统能能够实现障碍物的检测、盲人定位与通信，交通标志的识别，并通过语音提示功能更好的满足盲人出行需要。

关键词：STM32 导盲系统 CCD图像采集 超声波 GPS/GSM

中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0157-02

盲人则一直生活在黑暗的世界中，视力的缺失导致生活、学习、工作上莫大的困难[1]。随着我国的科技、经济有了巨大的发展，盲人这一社会中的弱势群体越来越受到国家、社会和人们的关注和重视。如何更好的解决盲人出行问题，提高盲人融入社会的能力，更人性化的提高盲人的生活质量，这就需要提供更加安全、方便、快捷和经济的盲人出行辅助系统。

1 系统结构功能及技术原理

本系统在设计中采用功能强大的STM32作为主控制处理器，采用超声波测距的方法来检测障碍物，主控制处理系统接收来自超声波测距系统测得的距离信号并进行处理，当距离小于一定值时表示有障碍物。CCD图像采集系统主要是对相关的道路信息和交通标志进行图像采集，并通过相关的图像处理算法与技术进行图像处理，获取我们需要的颜色和图像轮廓等图像信息，用于识别盲道、人行道和红绿灯等交通标志。GPS/GSM定位与通信求助系统主要用来实时掌握盲人出行所在的位置信息并可与家人保持通信联系。语音提示功能选择WT588D语音芯片来实现，可以预存需要播报的语音，并通过STM32来实现控制播放。

1.1 超声波测距检测障碍物工作原理

在系统设计中就采用超声波测距方法来检测盲人出行中的障碍物。超声波测距通常被称作回声探测法，利用超声波定向传播能在遇到的物体表面发生发射现象的特点而实现的一种检测方法。渡越时间法就是记录发射超声波信号到接收到反射回来信号所用的时间为t，超声波的速度已知，计算出盲人到障碍物的距离L，公式如下[2]：

超聲波的在空气中的传播速度与温度T有关，关系式为[3]：

公式中：L—盲人到障碍物的距离；0—温度T=0℃时超声波传播速度约为331.4m/s；—温度为T超声波在空气中的传播速度；t—超声波从发射到接收传播时间；T—温度。

1.2 CCD图像采集系统工作原理

1970年美国的贝尔实验室W.S.Boyle和G.E.Smith等人发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，随后他们建立的一维势阱模型非稳态理论奠定了图像传感器发展的理论基础[4]。CCD图像传感器电荷产生的光注入法：当光照射到光敏元件硅片上时，在栅极附近的半导体内产生电子一空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷，再经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不同的需要以数字信号的方式输出。光注入电荷公式[5]：

公式中：—光注入产生的电荷总量；—光敏材料的量子效率；—电子电荷量；—入射光子流速率；—光敏单元的受光面积；—光注入时间。

1.3 GSM/GPRS 定位与通信系统原理

该GSM/GPRS定位与通信系统把GPS的定位功能和GSM/GPRS的通信及网络定位功能集成在一起，能够提高定位与通信传输的性能[6]。盲人在自己迷路的情况下可以通过按键向导盲系统定位与通信系统发出定位请求，系统在接收到请求后，系统开始进行定位服务。盲人得到位置信息独立做出判断，是自己可以独立寻找路径，或者把位置信息以短信或者网络通信的方式发给家人，由家人引导路径，实现盲人便利出行。

2 导盲系统硬件设计

系统硬件电路包括超声波测距电路模块、CCD图像采集电路模块、GSM/GPRS定位与通信电路模块、STM32核心控制电路模块、语音提示电路模块等几个部分。其中定位与通信模块选用比较通用的集成SIM900来实现需求功能，核心控制电路采用STM32单片机最小系统。

2.1 超声波测距系统电路设计

超声波测距电路分为两个部分：超声波发射电路和超声波接收电路，电路设计如图1导盲系统电路设计图所示。

2.2 CCD图像采集系统设计

在设计中图像采集部分选用ICX248AL图像传感器芯片，是由SONY公司生产的一款（即镜面对角线毫米）的隔行转移型固态图像传感器，该芯片由中间感光阵列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和输出放大器四个主要部分组成[7]。它实现全帧静态图像采集并采用了HAD传感器技术，使它能够实现高灵敏度和低暗电流。由于ICX424图像传感器芯片输出信号电压峰峰值比较低为了获取满足图像信息处理芯片模数转换的使用范围，需要对ICX424AL芯片输出信号进行放大处理，电路设计如图1导盲系统电路设计图所示。

3 导盲系统软件设计

该导盲系统采用微型控制器STM32作为导盲系统软件的核心控制模块，通过各个传感子模块分别获得盲人出行生活中的道路交通情况，例如道路障碍物、所处位置、盲道及人行道信息和交通标志信息引导盲人方便安全出行。系统主程序流程图如图2所示。

4 结语

在充分了解现在导盲设备的发展的基础上，根据盲人实际出行需要以及现有导盲系统局限性，设计了该多功能导盲设备，是盲人方便安全出行。但本系统再设计中仍有需要改进的地方，例如：在检测盲人前面障碍物的基础上，可以再加两组超声波设备检测盲人左右障碍物情况；定位与求助模块可以利用现有地图导航功能，提示盲人公交站、饭店、超市等等生活中必需去的地方。

参考文献

[1]王冠生，郑江华等.盲人导航/路径诱导辅具研究与应用综述[J].计算机应用与软件，2012，29（12）：147-151.

[2]易艺婷.导盲系统中的障碍物检测方案设计[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

[3]王慧.基于总线的超声波测距仪的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2007.

[4]黄建凡.多CCD图像采集平台的设计与实现[D].南京：东南大学，2014.

[5]顾一.基于CCD的图像采集和处理系统[D].杭州：浙江大学，2008.

[6]姜西瑞.基于GPS和GSM/GPRS的定位系统的设计与实现[D].北京：中国科学院计算机技术研究所，2006.

[7]朱冰莲，杜培强等.FPGA控制下面阵CCD时序发生器设计及硬件实现[J].电子科技，2011，24（6）：127-130.

收稿日期：2016-09-01

作者简介：张志永（1990—），男，河南周口人，河南工业大学信息科学与工程学院 2015级硕士研究生，专业：计算机技术，研究方向：人工智能与

信息处理。