摘 要： 主要研究一種基于RFID的交互式盲杖，此交互式盲杖由兩部分組成，盲杖部分由盲人持有，有源電子標簽部分由盲人的親朋好友所攜帶。適用人群是盲人及一些弱視群體。主要實現(xiàn)兩大功能，避障和社交。利用傳統(tǒng)的超聲波裝置實現(xiàn)避障，當前方2 m內(nèi)有障礙物時通過語音提示盲人繞道行走；同時利用射頻識別技術(shù)（RFID）識別周邊4 m內(nèi)的熟人，通過語音告訴盲人熟人的信息，以此實現(xiàn)盲人主動與熟人打招呼。相較于市面上廣泛存在的智能盲人用品，此裝置主要實現(xiàn)社交功能。
關(guān)鍵詞： RFID；超聲波；盲杖；社交
0 引言
目前，全球大概有4 500萬盲人，視力障礙患者大約有1.35億人，中國大概有900萬視力殘疾者。隨著人類科學技術(shù)的進步，面對龐大的盲人人群，他們的生活需要備受人們的關(guān)注。如何切實提高盲人的生活質(zhì)量成為如今面臨的一大挑戰(zhàn)。
根據(jù)2010年優(yōu)愛盲人需求調(diào)研顯示，目前盲人面臨的極大難題如圖1所示。
目前國內(nèi)外有諸多類型的智能導盲用品，如導盲機器人[1]、紅外線導盲、盲人電子眼鏡、GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無線服務(wù)技術(shù)）導盲系統(tǒng)[2-3]等，但這些導盲設(shè)施大多成本過高或攜帶不便。劉湘云、張?zhí)m[4-5]等學者研究了基于超聲波技術(shù)的導盲系統(tǒng)的設(shè)計，詳細介紹了超聲波導盲的原理、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。超聲波導盲技術(shù)已相對成熟，運用也十分普遍。但是在盲人社交方面的盲人用品寥寥無幾。怎樣幫助盲人提升自信，體現(xiàn)他們的存在感，是交互式盲杖設(shè)計的重點。實現(xiàn)盲人主動向熟人朋友打招呼，先“看”到正常人，將會增強盲人朋友的社交欲望，使他們不再局限于自己的世界里。
1 理論基礎(chǔ)
這里主要介紹超聲波避障的基本原理以及射頻識別技術(shù)（RFID）的工作原理。
1.1 超聲波技術(shù)
超聲波的振動頻率大于20 000 Hz，其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20 000 Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物立即返回，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離s（即：s=340t/2），這與雷達系統(tǒng)測距原理相似。如圖2所示。
1.2 射頻識別（RFID）技術(shù)
射頻識別（Radio Frequency Identification）是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸[6-7]。一套完整的射頻識別（RFID）系統(tǒng)由閱讀器（Reader）、電子標簽（TAG）（又稱應(yīng)答器（Transponder））及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個部分組成。
電子標簽（或稱應(yīng)答器）由耦合元件及芯片組成，每個標簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標識目標對象。閱讀器有時也稱為查詢器、讀寫器或讀出裝置，主要由無線收發(fā)模塊、無線控制模塊及接口電路等組成。閱讀器主要是用于讀取標簽信息，可設(shè)計為手持式或固定式。在實際應(yīng)用中，電子標簽附著在待識別物體的表面，當標簽進入天線的覆蓋范圍內(nèi)，閱讀器可無接觸地通過接收標簽發(fā)出的無線電波讀取并識別射頻標簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達到自動識別物體的目的。
電子標簽根據(jù)供電方式的不同一般可分為有源標簽（Active tag）、半有源標簽（Semiactive tag）和無源標簽（Passive tag）。生活中所常見的飯卡就是無源標簽。有源標簽內(nèi)裝有電池，價格比無源標簽較貴，但是目前無源標簽的閱讀范圍太小，達不到本文的射程要求，所以本文設(shè)計選擇有源電子標簽。
2 總體設(shè)計方案
此手持交互式盲杖主要分為兩部分：一部分是交互式盲杖，由盲人所持有，另一部分是有源電子標簽，由盲人的親朋好友所攜帶。有源電子標簽通過射頻識別技術(shù)被盲杖上的閱讀器識別，從而讀取到標簽上的信息，再通過盲杖上的語音模塊告知盲人好友信息。盲杖上的超聲波探頭用以測量2 m內(nèi)是否有障礙物，并及時通過語音模塊提醒盲人繞道而行。
本裝置包括塑料外殼、存儲模塊、超聲波模塊、錄音模塊、語音播放模塊、RFID模塊、按鍵選擇模塊、微處理器、穩(wěn)壓電源模塊、標簽。各個模塊與微處理器的I/O口相連接。其中語音播放模塊與錄音模塊組成了語音錄放模塊。如圖3所示為本裝置系統(tǒng)框圖。
2.1 超聲波模塊
為了檢測到前方的障礙物，及時提醒用戶避開障礙物，避免撞上受到傷害，設(shè)計的手持交互式裝置通過超聲波模塊來完成。超聲波模塊與微處理器直接相連。超聲波模塊正面有兩個超聲波探頭，負責超聲波的發(fā)射和接收。該模塊有兩組接口，即位于模塊背面的模式選擇跳線和5個Pin接口（從左向右命名為Pin1~ Pin5），間距均為2.54 mm。用微處理器控制超聲波模塊的發(fā)射探頭發(fā)出約40 kHz的超聲波，超聲波遇到障礙物就會發(fā)生反射，在一定的范圍內(nèi)，接收探頭能夠接收其反射回來的超聲波，并通過技術(shù)處理，轉(zhuǎn)化為高低電平信號，再傳遞給微處理器進行進一步的處理。
超聲波模塊主要用于測障礙物，其實物圖如圖4所示。該裝置的超聲波模塊采用HC-SR04，HC-SR04具體由臺灣STC公司生產(chǎn)的芯片STC11、美國DALLAS公司生產(chǎn)的芯片MAX232、芯片TL074，以及一些電阻、電容、PNP、NPN、微型喇叭組成。HC-SR04由穩(wěn)壓電源模塊供給穩(wěn)定的5 V直流電源，其VCC端口與穩(wěn)壓電源模塊分流、穩(wěn)壓后得到的5 V直流電源相連。發(fā)射端口Trig端口與STC公司生產(chǎn)的單片機STC15L2K60S2的P2.7口單線相連，單片機STC15L2K60S2的指令通過單線接口P2.7傳送到端口Trig，Trig即觸發(fā)控制信號輸入，從而能夠控制超聲波模塊開始工作。HC-SR04的端口Echo是回響信號輸出端口，此端口與單片機STC15L2K60S2的引腳P2.6直接相連，有信號返回時，通過I/O口Echo輸出一個高電平，也即可知前方有障礙物。這個信息會返回給單片機STC15L2K60S2進行下一步的處理。HC-SR04的GND端口接地。超聲模塊工作流程如圖5所示。
2.2 RFID模塊
為了實現(xiàn)此設(shè)計的社交功能，采用RFID模塊和標簽。RFID模塊與微處器直接相連，鑲嵌在盲杖的表面，標簽由熟人攜帶。RFID模塊主要由無線接收器、天線、數(shù)據(jù)處理模塊等功能模塊組成，工作在2.4 GHz~2.5 GHz微波段，內(nèi)置天線，可有效識別半徑8 m以內(nèi)的電子標簽。若安裝高增益外置天線，最遠識別距離可達50 m。有源標識卡即電子標簽，不斷主動向外發(fā)出無線電信號（1秒鐘發(fā)送3次），并且能夠傳遞很遠的距離，該無線信號是有編碼的，每個標識卡的編碼是唯一的。標識卡發(fā)出的無線信號如果是在RFID模塊中讀卡器的有效測量距離內(nèi)，則該無線信號通過讀卡器上的天線被讀卡器接收并解碼，然后可以通過TTL232接口將接收到的信息發(fā)送給微處理器進行處理。
本裝置RFID模塊的設(shè)計采用荷蘭DSM公司生產(chǎn)的DSM-300模塊實現(xiàn)。此模塊共有6個端口。其中DSM-300的端口1與穩(wěn)壓電源模塊分流、穩(wěn)壓后得到的3.3 V直流電源相連，以供給整個RFID模塊用電；端口2和端口5為空；端口3（TxD端）與單片機STC15L2K60S2的P3.0（RxD端）相連；端口4（RxD端）與單片機STC15L2K60S2的P3.1（TxD端）相連；端口6接地。將所有模塊的GND端連在一起，實現(xiàn)共地，完成RFID模塊與微處理器之間的信息溝通。其工作流程圖如圖6所示。
2.3 其他模塊
微處理器采用STC公司生產(chǎn)的型號為STC15L2K60S2的芯片，用以協(xié)調(diào)各個模塊穩(wěn)定工作。STC15L2K60S2芯片上共有44個引腳，每個引腳的功能各不相同。穩(wěn)壓電源模塊為了攜帶方便，本文選取在內(nèi)部電池組供電，再通過整流、濾波、穩(wěn)壓一系列變化得到需要的恒定電壓。采用惠斯通電橋進行整流，并聯(lián)電容進行濾波，采用TI公司生產(chǎn)的LM78系列三端穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。語音播放模塊將需要播報的語音首先錄入美國ISD公司生產(chǎn)的ISD1760，STC15L2K60S2的P0.4口~P0.7口分別與ISD1760的MISO、MOSI、SCLK、SS相連，這樣微處理器就能夠直接調(diào)用錄入ISD1760的每一段語音的地址，進行語音播報。
3 結(jié)論
由于技術(shù)上的不足和實驗條件的有限，此交互式盲杖還存在一定的不足。超聲波導盲的缺點是不能探測到凹坑等障礙物，傳播會受到衍射、散射和吸收的影響，所以超聲波導盲存在漏檢盲區(qū)信息的問題。利用射頻識別技術(shù)進行社交還存在一些問題，比如自主設(shè)置射程距離、有源標簽價格較貴等問題。隨著射頻識別技術(shù)的逐步完善，無芯片射頻標簽的進一步研究，未來可以用無芯片標簽代替有源標簽，以節(jié)省成本。市面上已經(jīng)存在利用射頻識別技術(shù)的一些盲人用品，但是在盲人社交方面相關(guān)產(chǎn)品還是很稀缺，利用射頻識別技術(shù)來幫助盲人社交在未來會更完善。
參考文獻
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