基于物联网技术的嵌入式导盲手套

摘 要：根据盲人生活中的实际困难，设计了基于物联网技术的嵌入式多功能导盲手套。该手套通过超声测距实现避障功能，通过颜色传感器和颜色标签实现物体识别，通过物联网技术实现导航、定位、授时、报警等功能，并以舵机和语音播报两种方式进行信息反馈，与传统导盲机器相比具有使用方便，价格低廉，功能丰富的特点。

关键词：导盲；物联网；嵌入式；颜色传感器

盲人由于视觉信息缺失在生活各方面存在诸多困难，导盲杖作为最常见的行动辅具功能单一，环境适应性差；而导盲犬训练耗时，价格高昂，推广难度大，所以导盲机器成为必然选择。导盲机器根据所解决的问题不同分为避障导盲，定位导盲，识别导盲，学习导盲等几个类别，并日益向着智能化，复合化发展。常见的导盲机器有四类：电子式行进辅具，移动式机器人，穿戴式行进辅具和导引式手杖。现有的导盲机器存在独立检测和处理环境信息的缺陷，因而硬件成本必然随着检测的信息增加而增加，使得功能拓展受限于信息获取。

物联网（The Internet of things）的概念最早由美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授在1991年提出，是指使用信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术因其强大的开发潜力被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮，同时也被列为我国五大新兴战略性产业之一[1]。本文将物联网技术和现有导盲技术结合，通过网络通信建立对行动的支持，可以在不增加硬件成本的情况下拓展导航定位，天气预报，救援呼叫等功能。

在数据采集上，现有导盲机器只注重对环境的空间感知，而缺乏对颜色信息的反馈。事实上颜色在物体辨识、情绪调节、社会交流等方面包含了丰富的信息。本设计增加了对颜色的检测，体现了对盲人群体的人文关怀，增加了盲人对产品的安全感和依赖感。

导盲机器大多是基于触觉和听觉设计的[2]，而手是触觉最集中和敏感的区域，故将导盲系统集成到手套上，同时包含了语音播报功能，使之兼具良好的信息反馈能力和便携特征。

1 系统硬件设计

1.1 硬件布局

传感器和执行机构放置于右手手套，键盘放置于左手手套或其它方便操作的位置，其余组件集成为一个挂盒，可以便携在腰间或其它位置，如图1。

图1

1.2 嵌入式CPU

选用SAMSUNG的S3C2440作为控制CPU，输入设备包括超声波传感器、颜色传感器、GPS模块和键盘，输出设备包括舵机和耳机接口，此外还通过SIM300实现与云端的通信。S3C2440采用最小系统核心板加扩展板的双层构架，可配置1GB闪存，128M内存。

1.3 电池和电源模块

选用12V，最大电流1000mA的锂离子电池作为电源，通过7805稳压芯片将12V电压转为5V输出。系统满电状态下可工作4h。

1.4 人机交互

键盘和语音播报用于人机交互。按键用于下达指令，语音播报用于确认按键命令和用户获取信息，对耳机的支持保证了对环境的最小干扰和对盲人隐私的有效保护。本设计包含一个4*4的按键模块和包含左右声道的3.5mm耳机接口，为功能选项提供支持。

1.5 超声测距

超声波传感器发射和接受超声波，利用发射时间和接收时间的间隔计算距离[3][4]。本文选用HC-SR04超声波测距模块，这款超声波测距模块采用一个超声波发生器和一个超声波接收器，探测距离为2～450cm，感应角度不大于15度，探测精度为0.3cm，工作电压为5v。我们将三个超声波发射器相互成45度夹角成一线放置（如图2），实现同时对上、中、下（垂直方式）或左、中、右（水平方式）三个方向的距离信息采集。垂直方式是为了帮助盲人实现等身高度的避障测量，水平方式是为了快速寻找过道和门等穿行环境。

图2

舵机是距离信息的反馈元件。本文使用三个舵机将三个超声波传感器的距离信息转换为偏角，舵机牵动遥感机构，将偏角转换为触钮的伸缩长度，从而将真实距离缩放到手指可感受的范围。与传统的避障检测相比，这种方式能提供连续的距离信息。考虑到传感器的特性和盲人生活的实际，把距离检测范围定为4米以内。

1.6 颜色识别

本文选用TCS230颜色传感器。TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了RGB三种滤光器。

颜色名词是一个离散的概念，如红、蓝、浅蓝等。TCS230采集到物体的RGB数值后，再归并为常见的七种颜色信息，通过语音播报反馈。颜色传感器有两种使用方式，一种是配合标准颜色标签，将颜色标签贴在固定的位置，作为颜色开关，用于系列物体的快速检索；另一种是自由检测生活中各种常见物体的颜色，得到粗略的颜色信息。

颜色传感器在检测颜色的时候需要采用高亮白色LED灯反射光。我们在手套背部设计了颜色传感器的开关，平时处于关闭状态，在需要使用的时候打开开关，保证了省电和对环境的最小影响。

1.7 导航定位

本文使用NEO-6M GPS模块，实现自身的定位。为实现导航功能，每10s将自身的位置信息和预置的目标点位置信息通过SIM300模块以短信形式上传到云端，再把云端导航软件处理得到的信息以短信形式接收，转换为语音播报信息反馈给用户，指示是否前进或转向。

其它网络功能包括报时、天气预报和报警等，基本实现也是通过SIM300模块把特定的信息发送到云端，由云端进行处理，再接收返回的信息。

2 系统软件设计

2.1 嵌入式应用程序

嵌入式系统中的程序使用多线程并发执行，主线程循环检测按键状态，捕获按键命令后创建对应的子线程。

超声测距线程中，三个超声传感器分时检测距离信息并输出到舵机执行机构，避免了超声波的相互干扰。因为超声传感器发射锥形波，在复杂环境中会有明显的自扰，导致反馈的信息振荡。为解决这个问题，使用距离平均值算法和滤波算法，程序流程如图3。

颜色识别线程中，将读取到的RGB数值转化到HSV颜色空间，再利用H变量进行颜色判断，判断结果以语音播报的形式进行反馈。

2.2 系统云端

系统云端包括短信收发终端、数据库和互联网计算机，短信收发终端将接收到的信息传给互联网计算机进行处理，再发送返回的信息；数据库对导盲手套的注册信息进行管理，如图4所示。

图4

3 结束语

试验证明，该设计能实现预想的导盲功能。目前该设计的网络功能有限，但是其基于物联网的开发前景广阔，这也有待于盲人网络应用技术的进一步发展。

参考文献

[1]刘强，崔莉，陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学， 2010，37（6）：1-4.

[2]张莹.基于嵌入式技术的导盲机器人设计[D].浙江工业大学：张莹，2011.

[3]张彦潮.基于超声检测技术的智能导盲杖控制器设计[J].高等教育研究，2009，（8）：194-195.

[4]曲霄红，薄文彦.基于超声波测距的导盲仪设计研究[J].山西大同大学学报，2011，27（6）：27-29.