基于RFID的交互式盲杖設(shè)計(jì)

　　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(xué)技術(shù)的進(jìn)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(shí)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(dǎo)盲用品，如導(dǎo)盲機(jī)器人[1]、紅外線導(dǎo)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(dǎo)盲系統(tǒng)[2-3]等，但這些導(dǎo)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(xué)者研究了基于超聲波技術(shù)的導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了超聲波導(dǎo)盲的原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。超聲波導(dǎo)盲技術(shù)已相對成熟，運(yùn)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(jì)的重點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)盲人主動(dòng)向熟人朋友打招呼，先“看”到正常人，將會(huì)增強(qiáng)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(dòng)頻率大于20 000 Hz，其每秒的振動(dòng)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(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s(即：s=340t/2)，這與雷達(dá)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(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)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(biāo)簽(TAG)(又稱應(yīng)答器(Transponder))及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部分組成。

　　電子標(biāo)簽(或稱應(yīng)答器)由耦合元件及芯片組成，每個(gè)標(biāo)簽具有唯一的電子編碼，附著在物體上標(biāo)識目標(biāo)對象。閱讀器有時(shí)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(biāo)簽信息，可設(shè)計(jì)為手持式或固定式。在實(shí)際應(yīng)用中，電子標(biāo)簽附著在待識別物體的表面，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入天線的覆蓋范圍內(nèi)，閱讀器可無接觸地通過接收標(biāo)簽發(fā)出的無線電波讀取并識別射頻標(biāo)簽中所保存的電子數(shù)據(jù)，從而達(dá)到自動(dòng)識別物體的目的。

　　電子標(biāo)簽根據(jù)供電方式的不同一般可分為有源標(biāo)簽(Active tag)、半有源標(biāo)簽(Semiactive tag)和無源標(biāo)簽(Passive tag)。生活中所常見的飯卡就是無源標(biāo)簽。有源標(biāo)簽內(nèi)裝有電池，價(jià)格比無源標(biāo)簽較貴，但是目前無源標(biāo)簽的閱讀范圍太小，達(dá)不到本文的射程要求，所以本文設(shè)計(jì)選擇有源電子標(biāo)簽。

　　2 總體設(shè)計(jì)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(biāo)簽，由盲人的親朋好友所攜帶。有源電子標(biāo)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(biāo)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(shí)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(chǔ)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(biāo)簽。各個(gè)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(shí)提醒用戶避開障礙物，避免撞上受到傷害，設(shè)計(jì)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(gè)超聲波探頭，負(fù)責(zé)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(gè)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(huì)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(jìn)行進(jìn)一步的處理。

　　超聲波模塊主要用于測障礙物，其實(shí)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(tái)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(jī)STC15L2K60S2的P2.7口單線相連，單片機(jī)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(jī)STC15L2K60S2的引腳P2.6直接相連，有信號返回時(shí)，通過I/O口Echo輸出一個(gè)高電平，也即可知前方有障礙物。這個(gè)信息會(huì)返回給單片機(jī)STC15L2K60S2進(jìn)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(shí)現(xiàn)此設(shè)計(jì)的社交功能，采用RFID模塊和標(biāo)簽。RFID模塊與微處器直接相連，鑲嵌在盲杖的表面，標(biāo)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(biāo)簽。若安裝高增益外置天線，最遠(yuǎn)識別距離可達(dá)50 m。有源標(biāo)識卡即電子標(biāo)簽，不斷主動(dòng)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(yuǎn)的距離，該無線信號是有編碼的，每個(gè)標(biāo)識卡的編碼是唯一的。標(biāo)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(jìn)行處理。

　　本裝置RFID模塊的設(shè)計(jì)采用荷蘭DSM公司生產(chǎn)的DSM-300模塊實(shí)現(xiàn)。此模塊共有6個(gè)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(gè)RFID模塊用電;端口2和端口5為空;端口3(TxD端)與單片機(jī)STC15L2K60S2的P3.0(RxD端)相連;端口4(RxD端)與單片機(jī)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(shí)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(gè)模塊穩(wěn)定工作。STC15L2K60S2芯片上共有44個(gè)引腳，每個(gè)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(jìn)行整流，并聯(lián)電容進(jìn)行濾波，采用TI公司生產(chǎn)的LM78系列三端穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。語音播放模塊將需要播報(bào)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(jìn)行語音播報(bào)。

　　3 結(jié)論

　　由于技術(shù)上的不足和實(shí)驗(yàn)條件的有限，此交互式盲杖還存在一定的不足。超聲波導(dǎo)盲的缺點(diǎn)是不能探測到凹坑等障礙物，傳播會(huì)受到衍射、散射和吸收的影響，所以超聲波導(dǎo)盲存在漏檢盲區(qū)信息的問題。利用射頻識別技術(shù)進(jìn)行社交還存在一些問題，比如自主設(shè)置射程距離、有源標(biāo)簽價(jià)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(biāo)簽的進(jìn)一步研究，未來可以用無芯片標(biāo)簽代替有源標(biāo)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(huì)更完善。