一种新型盲人导行识别系统的设计

世界各国存在数量庞大的视觉残疾人。如何提高他们的生活质量，解决盲人的出行，已经成为全世界各国共同关注的问题。目前，盲人仍主要依靠探路棍、简单的触觉来认识世界。我国盲人用品用具市场存在两极分化的现状，低端的生活学习用品、用具较为丰富，而高端的产品却极为稀缺。当前市场上的助盲器材成型产品仅处于障碍物报警的初始水平，实用功能极其有限，不能给盲人提供足以理解周围环境的信息，远远不能满足盲人的生活需求。世界上有许多国家和科研机构正在研发盲人导行识别装置。例如，盲人双耳语音提示系统[1]，采用超声波对障碍物、路面纹理变化情况等进行检测，通过声音信号进行提示;李广强利用DSP处理器开发了助盲识别、语音提示系统[2];陈美銮采用超声测距、语音报警的方法设计智能盲人导行仪[3];谢强将图像信号转换为调频式的音频信号的方法，设计电子助盲器[4];贺菊方采用超声测距,将超声波转化为声波的方法设计帮助盲人行走、识别障碍物的电子装置[5]。本文则利用无线传感器网络设计一种新型的盲人导行识别系统。
1 系统设计
    本系统利用GPS测量盲人具体位置，利用超声波测量盲人与物体的距离,利用CCD摄像头拍摄物体的图像。这些信息通过ZigBee网络传输给计算机，信息经计算机处理后再通过ZigBee网络将输出结果传送给语音控制板，经语音合成处理后为盲人进行语音提示。该系统不仅能帮助盲人判断方向和障碍物的位置，也能识别障碍物的类型，帮助盲人在指定的小区里为自己定位，并指明目的地大致方向。同时，该系统也能帮助盲人识别周围的物品，为盲人日常生活提供方便。系统利用ZigBee网络进行信号无线传输,其原理图如图1所示。ZigBee网络节点包括普通节点、sink节点和网关节点。普通节点通过传感器完成数据采集，sink节点进行多跳中继传输，网关节点通过RS485串行通信把汇集的信息传输给PC机。本系统的普通节点包括GPS测量位置、超声测距、图像采集和语音提示模块。单个ZigBee网络节点在室内可覆盖10 m，在室外可覆盖30 m～75 m。sink节点可将信号进行多跳中继传输，从而扩展ZigBee网络覆盖范围。

2 无线传感网络节点设计
    无线传感网络节点是一个微型化的嵌入式系统，由数据采集模块、微处理器模块、无线通信模块、电源模块4个部分组成，如图2所示。数据采集模块负责信息的采集并将采集的信号转变为数字信号，传送给微处理器模块；微处理器模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、功耗管理、任务管理等。本系统采用的ZigBee硬件平台可分为 LPC2138 控制模块、MC13192射频模块、RS232串行通信模块、数据采集模块、电源模块。LPC2138芯片是一个嵌入式32位ARM7微控制器，带有512 KB嵌入式的高速Flash存储器和32 KB片内静态RAM，具有2个8 路10位A/D转换器、1个D/A转换器、47个GPIO及9 个边沿或电平触发的外部中断。低功耗射频双向收发器MC13192，符合IEEE 802.15.4标准，工作于2.4 GHz ISM频段，可提供250 Kb/s的数据速率和16个不同的信道，采用正交QPSK调制和直接序列扩频编码，通过1个4线串行接口与MCU通信。数据采集模块中的A/D转换器选用模数转换器AD7674，具有18位高精度分辨率,最大转换时钟频率可达800 MHz。    

3 射频通信电路的设计

　MC13192射频通信电路包括MC13192支撑电路和天线电路，如图3所示。MC13192支撑电路包括电源电路、滤波电路和晶振电路。VBATT、VDDINT是电源输入引脚，MC13192的正常工作电压为2.0～3.6 V，引脚VBATT与引脚VDDINT并联，外接1个4.7 滋F的稳压电容。引脚VDDA、VDDLO1、VDDLO2并联，外接1个100 nF的滤波电容，3个引脚输出电压为经过整流的模拟电压。引脚VDDD输出电压为经过内部整流的数字电压。VDDVCO为VCO电路供电，外接1个220 pF的电容。XTAL1、XTAL2外接16 MHz的专用于2.4 GHz射频电路的晶振，旁路电容为10 pF。MC13192射频电路的天线采用PCB类型的天线，这种类型的天线适合应用于无线传感器网络的硬件平台。RFIN-和RFIN+为接收通道，2个18 pF的电容能滤除高频干扰信号。PAO-、PAO+为发送通道，这2个管脚与VDDA连在一起，给发送通道提供必要的能量。

4 超声波检测电路设计
    超声波测距原理是:超声波发射探头发出超声波脉冲，超声波通过媒质(空气)传输后从被测物体反射回来，被接收探头接收。根据超声波在空气中的速度v，测量出超声脉冲从发射到接收所需的时间t,可计算出从探头到物体表面之间的距离L：

   
    超声测距系统的电路功能模块主要包括发射电路、接收电路及微处理电路三部分，如图4所示。超声波信号由555时基电路振荡产生。超声波探头选用发射传感器T40-10和接收传感器R40-10，探头中心频率为40 kHz，发射声压大于107 dB，接收灵敏度大于-74 dB/V/μBar。 [p]

5 系统软件设计
    系统软件部分主要包括主程序处理模块、初始化模块、建立通信链路模块、通信服务模块等。通信服务模块包括数据处理模块、打包发送模块、中断接收模块。主程序处理模块用来调用其他模块完成系统的功能。初始化模块用来初始化微处理器的串口和设置ZigBee模块参数，包括内部各种寄存器的设置、工作模式的设置(如波特率)等。建立通信链路模块用来建立节点间的数据链路。数据处理模块用来接收并处理无线传感器节点发来的数据。打包发送模块是当信息打包后发送时，利用串行口中断将信息包逐字节发送出去。中断接收模块是用来接收串行口发来的数据，信息包接收完成后执行校验，并根据校验结果决定是否丢弃该帧。主程序流程图如图5所示。射频通信MC13192模块发送数据流程图如图6所示，接收数据流程图如图7所示。

    本系统采用GPS测量盲人位置，采用超声波测量距离，利用CCD摄像头拍摄物体的图像，利用ZigBee无线传感器网络传输数据，采集信息经计算机处理后给盲人语音提示。本设计涉及无线通信与无线技术、网络技术、图像传输及处理技术、语音信号处理技术和计算机技术等多交叉学科。该系统是盲人识别导行系统设计中一种新的尝试，它能给盲人生活带来方便,系统的研发具有十分重要的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]  KUC R. Binaural sonic electronic aid provids vibrotactile cues for landmark, reflector motion and surface texture classification[J]. IEEE Trans. on Biomedical Engineering, 2002, 49(10):1173-1180.
[2]  李广强.基于DSP助盲目标识别系统研究与设计[D]. 西安:西北工业大学,2006.
[3]  陈美銮,尹浩,黎飘.智能盲人识别仪的设计与实现[J]. 电子技术应用,2006,32(10):4-6.
[4] 谢强.电子助盲器.中国: No.CN2650066Y[P].2004,10.
[5] 贺菊方,潘国华,何俊峰.用于帮助盲人行走、识别障碍物的电子装置.中国: No.CN2843397Y[P].2006,12.