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(biāo)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(shí)現(xiàn)兩大功能,，避障和社交,。利用傳統(tǒng)的超聲波裝置實(shí)現(xiàn)避障，當(dāng)前方2 m內(nèi)有障礙物時(shí)通過(guò)語(yǔ)音提示盲人繞道行走,；同時(shí)利用射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）識(shí)別周邊4 m內(nèi)的熟人,，通過(guò)語(yǔ)音告訴盲人熟人的信息，以此實(shí)現(xiàn)盲人主動(dòng)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(shí)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(wàn)盲人,，視力障礙患者大約有1.35億人，中國(guó)大概有900萬(wàn)視力殘疾者,。隨著人類(lèi)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,，面對(duì)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(ài)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(guó)內(nèi)外有諸多類(lèi)型的智能導(dǎo)盲用品,，如導(dǎo)盲機(jī)器人[1],、紅外線(xiàn)導(dǎo)盲、盲人電子眼鏡,、GPRS（General Packet Radio Service,，通用分組無(wú)線(xiàn)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(guò)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(duì)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(wú)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(shí)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(tīng)覺(jué)的上限（20 000 Hz）,，人們將這種聽(tīng)不見(jiàn)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(kāi)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(cè)距原理相似,。如圖2所示。

　　1.2 射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)

　　射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification）是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),，可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù),，而無(wú)需識(shí)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(shí)別（RFID）系統(tǒng)由閱讀器（Reader）、電子標(biāo)簽（TAG）（又稱(chēng)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(chēng)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(shí)目標(biāo)對(duì)象,。閱讀器有時(shí)也稱(chēng)為查詢(xún)器、讀寫(xiě)器或讀出裝置,，主要由無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊,、無(wú)線(xiàn)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(shí)別物體的表面,，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入天線(xiàn)的覆蓋范圍內(nèi),，閱讀器可無(wú)接觸地通過(guò)接收標(biāo)簽發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波讀取并識(shí)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(shí)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(wú)源標(biāo)簽（Passive tag）。生活中所常見(jiàn)的飯卡就是無(wú)源標(biāo)簽,。有源標(biāo)簽內(nèi)裝有電池,，價(jià)格比無(wú)源標(biāo)簽較貴，但是目前無(wú)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(guò)射頻識(shí)別技術(shù)被盲杖上的閱讀器識(shí)別,，從而讀取到標(biāo)簽上的信息，再通過(guò)盲杖上的語(yǔ)音模塊告知盲人好友信息,。盲杖上的超聲波探頭用以測(cè)量2 m內(nèi)是否有障礙物,，并及時(shí)通過(guò)語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音播放模塊與錄音模塊組成了語(yǔ)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(cè)到前方的障礙物,，及時(shí)提醒用戶(hù)避開(kāi)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(guò)超聲波模塊來(lái)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(xiàn)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(lái)的超聲波,，并通過(guò)技術(shù)處理，轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào),，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(cè)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(guó)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(xiàn)相連,，單片機(jī)STC15L2K60S2的指令通過(guò)單線(xiàn)接口P2.7傳送到端口Trig,，Trig即觸發(fā)控制信號(hào)輸入，從而能夠控制超聲波模塊開(kāi)始工作,。HC-SR04的端口Echo是回響信號(hào)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(hào)返回時(shí),，通過(guò)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(wú)線(xiàn)接收器,、天線(xiàn),、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(xiàn),，可有效識(shí)別半徑8 m以?xún)?nèi)的電子標(biāo)簽。若安裝高增益外置天線(xiàn),，最遠(yuǎn)識(shí)別距離可達(dá)50 m,。有源標(biāo)識(shí)卡即電子標(biāo)簽，不斷主動(dòng)向外發(fā)出無(wú)線(xiàn)電信號(hào)（1秒鐘發(fā)送3次）,，并且能夠傳遞很遠(yuǎn)的距離,，該無(wú)線(xiàn)信號(hào)是有編碼的，每個(gè)標(biāo)識(shí)卡的編碼是唯一的,。標(biāo)識(shí)卡發(fā)出的無(wú)線(xiàn)信號(hào)如果是在RFID模塊中讀卡器的有效測(cè)量距離內(nèi),，則該無(wú)線(xiàn)信號(hào)通過(guò)讀卡器上的天線(xiàn)被讀卡器接收并解碼，然后可以通過(guò)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(hào)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(guò)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(yǔ)音播放模塊將需要播報(bào)的語(yǔ)音首先錄入美國(guó)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(yǔ)音的地址,，進(jìn)行語(yǔ)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(cè)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(wèn)題,。利用射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行社交還存在一些問(wèn)題，比如自主設(shè)置射程距離,、有源標(biāo)簽價(jià)格較貴等問(wèn)題,。隨著射頻識(shí)別技術(shù)的逐步完善，無(wú)芯片射頻標(biāo)簽的進(jìn)一步研究,，未來(lái)可以用無(wú)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(shí)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(shí)別技術(shù)來(lái)幫助盲人社交在未來(lái)會(huì)更完善,。

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