一款智能视障多功能杖的设计

摘要：随着我国视障人群数量的不断增加，他们对导盲拐杖的需求也日益增长。然而，市面上现有的导盲拐杖功能相对单一，无法满足视障人群当前多元化的需求。鉴于此，本文设计了一款智能视障多功能杖，采用STM32F103C8T6单片机，集成了水坑检测、超声波距离检测、GPS定位、跌倒检测等多项功能，以提升视障人群的出行安全性和独立性。

关键词：视障；智能；多功能；拐杖

1.产品研究背景

根据世界卫生组织（WHO）的数据，全球约有2.85亿人患有视觉障碍，其中3900万人为盲人。中国作为世界上盲人和视觉损伤患者数量最多的国家之一，约有1700多万视力残疾人。[1]视障人群在出行时面临诸多困难，如障碍物感知难、安全系数低、无法识别目的地路径等。[2]他们主要依赖人工陪护、盲道、导盲杖及导盲犬，但这些方式均存在局限性，如人工陪护成本高、盲道被占用且交通标识缺乏或设计不合理、导盲犬稀缺且使用受限等。因此，解决视障人群的出行问题显得尤为迫切。

随着信息技术的飞速发展，运用科技手段改善视障人群的出行方式已成为大势所趋。尽管传统导盲拐杖在一定程度上改善了视障人士的出行状况，但面对日益复杂的交通环境和户外场景，其功能已无法满足视障人群日益增长的出行需求。[3]因此，本研究旨在设计一款智能视障多功能杖，以满足视障人群更加便捷、安全的出行需求。

2.产品设计原理、技术路线和创新点

2.1设计原理

智能导盲拐杖是传统导盲拐杖的升级版，融合了现代传感器技术、无线通信技术等高科技元素。本产品基于使用者的需求，集成了水坑检测、超声波距离检测、GPS定位、跌倒检测等功能，为视障人群提供出行的便利性和安全性。同时，产品还考虑了视障人士亲友的需求，设计了实时定位、跌倒报警等功能，便于他们随时了解视障人士的安全状况。

2.2技术路线

（1）总体设计

本产品以STM32F103C8T6为中央处理器，集成SR04超声波测距、光敏电阻检测光线强弱、LED照明指示灯、ADXL345加速度传感器跌倒检测、GPS定位以及SIM800模块短信报警等功能。

（2）关键模块设计

STM32F103C8T6单片机：具有强大的功能和稳定的性能，便于程序编写和功能实现。同时，STM32有着很强大的通信功能和控制功能。

ADXL345加速度传感器：用于检测跌倒情况，具有高分辨率和灵敏度。此模块电路主要功能就用于做ADXL345加速度传感器的一个转接口，而且利用ADXL345该加速度传感器产生相应的变化值。相当于整个系统的信号产生模块，当检测到异常运动模式时，系统判断为用户跌倒，随即启动报警程序。

SR04超声波测距传感器设计：用于测距，通过计算超声波的传播时间来确定障碍物距离。通过计算发出到接收的时间差和超声波在空气中的传播速度，可以算出障碍物距离超声波模块之间的距离，然后发送给单片机，显示在液晶屏上。

光敏传感器：光敏采集LM393输出，使用其来监测环境光线强弱，并通过液晶显示屏展示，帮助用户了解当前环境的光照条件。

GSM短信无线通信设计：采用的通信模块为SIM800，此模块具有体积小，价格便宜，发送短信时间快等特点。

蜂鸣器提醒设计：当按键设置心率体温报警范围后，单片机就进行循环监测，时刻监测心率体温值，并和报警上限进行比较，在紧急情况下发出声音提醒，提高安全性。

GPS定位设计：通过GPS接收模块的接收天线获取卫星信号，经过变频、放大、滤波、相关、混频等一系列处理，可以实现对天线视界内卫星的跟踪、锁定和测量。在获取了卫星的位置信息和测算出卫星信号传播时间之后，即可计算出天线位置，实现实时定位功能。

（3）界面与操作设计

产品配备小型液晶显示屏，显示当前信息、参数设定等，并支持触摸操作。同时，产品还具有语音提示功能，便于视障人士了解当前状态。

2.3创新点

（1）技术方面：

该产品通过集成多功能、高精度传感器以及实时通信功能等技术创新点，为用户提供了全面、安全、便捷的使用体验。

集成多功能：集成了水坑检测、超声波距离检测、GPS定位、跌倒检测等多项功能，提高了产品的实用性和安全性。

高精度传感器：采用高精度传感器，如ADXL345加速度传感器和SR04超声波模块，确保测量结果的准确性。

实时通信功能：通过GSM模块实现实时短信通信，便于紧急情况下通知亲友。

（2）功能方面：

多场景应用：该研究产品具备广泛的应用场景，不仅适用于视障人士解决出行和日常生活需求的问题，还专为老年人设计，便于他们的日常行走和上下楼梯等活动。此外，在特殊场合如携带重物上下楼梯或进行登山等运动时，该产品同样表现出色，可作为明行杖或登山杖使用，满足多样化的需求。

个性化设置：支持用户根据需求进行个性化设置，如调整报警范围、设置紧急联系人等。对于视障人士，产品配备了雷达和紧急呼救器等功能，旨在提供安全保障，解决其出行困难。针对老年人，产品集成了GPS定位、ADXL345跌倒检测、紧急呼救器等设备，让子女能够实时了解老年人的位置和情况，增强出行的安全性。

3.总结

本研究设计了一款智能视障多功能杖，旨在提升视障人群的出行安全性和独立性。目前产品处于研发阶段，已初步实现了预期目标。未来将继续优化产品，推动相关技术的发展和应用，为视障人群提供更加便捷、安全的出行工具。

参考文献：

[1]李明，何志奇，党青霞，等.面向户外导盲场景的道路目标检测算法[J/OL].计算机工程与应用，1-15[2024-09-12].

[2]李庆寒.基于深度学习的盲道路况检测技术的研究与应用[D].黑龙江：黑龙江大学，2024.

[3]李艳乔.视障人群智能出行产品设计研究[D].河北：北方工业大学，2024.

作者简介：张静茹，女。王通，男。臧嘉毅，男。罗永豪，男。作者均为本科在读学生。

【基金项目：基金项目：2024年大学生创新创业训练计划立项项目：明行杖——智能视障多功能杖（编号S202411528049）、“健全新时代互联网治理的网民自律机制研究”（S202411528065）】