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。主要實現兩大功能，避障和社交。利用傳統的超聲波裝置實現避障，當前方2 m內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（RFID）識別周邊4 m內的熟人，通過語音告訴盲人熟人的信息，以此實現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，此裝置主要實現社交功能。
關鍵詞： 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注。如何切實提高盲人的生活質量成為如今面臨的一大挑戰。
根據2010年優愛盲人需求調研顯示，目前盲人面臨的極大難題如圖1所示。
目前國內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，通用分組無線服務技術）導盲系統[2-3]等，但這些導盲設施大多成本過高或攜帶不便。劉湘云、張蘭[4-5]等學者研究了基于超聲波技術的導盲系統的設計，詳細介紹了超聲波導盲的原理、硬件設計和軟件設計。超聲波導盲技術已相對成熟，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，體現他們的存在感，是交互式盲杖設計的重點。實現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
這里主要介紹超聲波避障的基本原理以及射頻識別技術（RFID）的工作原理。
1.1 超聲波技術
超聲波的振動頻率大于20 000 Hz，其每秒的振動次數（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。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，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，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離s（即：s=340t/2），這與雷達系統測距原理相似。如圖2所示。
1.2 射頻識別（RFID）技術
射頻識別（Radio Frequency Identification）是一種無線通信技術，可以通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統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）系統由閱讀器（Reader）、電子標簽（TAG）（又稱應答器（Transponder））及應用軟件系統三個部分組成。
電子標簽（或稱應答器）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，可設計為手持式或固定式。在實際應用中，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，閱讀器可無接觸地通過接收標簽發出的無線電波讀取并識別射頻標簽中所保存的電子數據，從而達到自動識別物體的目的。
電子標簽根據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，所以本文設計選擇有源電子標簽。
2 總體設計方案
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射探頭發出約40 kHz的超聲波，超聲波遇到障礙物就會發生反射，在一定的范圍內，接收探頭能夠接收其反射回來的超聲波，并通過技術處理，轉化為高低電平信號，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公司生產的芯片STC11、美國DALLAS公司生產的芯片MAX232、芯片TL074，以及一些電阻、電容、PNP、NPN、微型喇叭組成。HC-SR04由穩壓電源模塊供給穩定的5 V直流電源，其VCC端口與穩壓電源模塊分流、穩壓后得到的5 V直流電源相連。發射端口Trig端口與STC公司生產的單片機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
為了實現此設計的社交功能，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、數據處理模塊等功能模塊組成，工作在2.4 GHz~2.5 GHz微波段，內置天線，可有效識別半徑8 m以內的電子標簽。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，不斷主動向外發出無線電信號（1秒鐘發送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，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送給微處理器進行處理。
本裝置RFID模塊的設計采用荷蘭DSM公司生產的DSM-300模塊實現。此模塊共有6個端口。其中DSM-300的端口1與穩壓電源模塊分流、穩壓后得到的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公司生產的型號為STC15L2K60S2的芯片，用以協調各個模塊穩定工作。STC15L2K60S2芯片上共有44個引腳，每個引腳的功能各不相同。穩壓電源模塊為了攜帶方便，本文選取在內部電池組供電，再通過整流、濾波、穩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，并聯電容進行濾波，采用TI公司生產的LM78系列三端穩壓芯片進行穩壓。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用錄入ISD1760的每一段語音的地址，進行語音播報。
3 結論
由于技術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信息的問題。利用射頻識別技術進行社交還存在一些問題，比如自主設置射程距離、有源標簽價格較貴等問題。隨著射頻識別技術的逐步完善，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，以節省成本。市面上已經存在利用射頻識別技術的一些盲人用品，但是在盲人社交方面相關產品還是很稀缺，利用射頻識別技術來幫助盲人社交在未來會更完善。
參考文獻
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