基于RFID的交互式盲杖设计

　　0 引言

　　目前，全球大概有4 500万盲人，视力障碍患者大约有1.35亿人，中国大概有900万视力残疾者。随着人类科学技术的进步，面对庞大的盲人人群，他们的生活需要备受人们的关注。如何切实提高盲人的生活质量成为如今面临的一大挑战。

　　根据2010年优爱盲人需求调研显示，目前盲人面临的极大难题如图1所示。

　　目前国内外有诸多类型的智能导盲用品，如导盲机器人[1]、红外线导盲、盲人电子眼镜、GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术)导盲系统[2-3]等，但这些导盲设施大多成本过高或携带不便。刘湘云、张兰[4-5]等学者研究了基于超声波技术的导盲系统的设计，详细介绍了超声波导盲的原理、硬件设计和软件设计。超声波导盲技术已相对成熟，运用也十分普遍。但是在盲人社交方面的盲人用品寥寥无几。怎样帮助盲人提升自信，体现他们的存在感，是交互式盲杖设计的重点。实现盲人主动向熟人朋友打招呼，先“看”到正常人，将会增强盲人朋友的社交欲望，使他们不再局限于自己的世界里。

　　1 理论基础

　　这里主要介绍超声波避障的基本原理以及射频识别技术(RFID)的工作原理。

　　1.1 超声波技术

　　超声波的振动频率大于20 000 Hz，其每秒的振动次数(频率)甚高，超出了人耳听觉的上限(20 000 Hz)，人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，遇到障碍物立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，超声波在空气中的传播速度为340 m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s(即：s=340t/2)，这与雷达系统测距原理相似。如图2所示。

　　1.2 射频识别(RFID)技术

　　射频识别(Radio Frequency Identification)是一种无线通信技术，可以通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触[6-7]。一套完整的射频识别(RFID)系统由阅读器(Reader)、电子标签(TAG)(又称应答器(Transponder))及应用软件系统三个部分组成。

　　电子标签(或称应答器)由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。阅读器有时也称为查询器、读写器或读出装置，主要由无线收发模块、无线控制模块及接口电路等组成。阅读器主要是用于读取标签信息，可设计为手持式或固定式。在实际应用中，电子标签附着在待识别物体的表面，当标签进入天线的覆盖范围内，阅读器可无接触地通过接收标签发出的无线电波读取并识别射频标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。

　　电子标签根据供电方式的不同一般可分为有源标签(Active tag)、半有源标签(Semiactive tag)和无源标签(Passive tag)。生活中所常见的饭卡就是无源标签。有源标签内装有电池，价格比无源标签较贵，但是目前无源标签的阅读范围太小，达不到本文的射程要求，所以本文设计选择有源电子标签。

　　2 总体设计方案

　　此手持交互式盲杖主要分为两部分：一部分是交互式盲杖，由盲人所持有，另一部分是有源电子标签，由盲人的亲朋好友所携带。有源电子标签通过射频识别技术被盲杖上的阅读器识别，从而读取到标签上的信息，再通过盲杖上的语音模块告知盲人好友信息。盲杖上的超声波探头用以测量2 m内是否有障碍物，并及时通过语音模块提醒盲人绕道而行。

　　本装置包括塑料外壳、存储模块、超声波模块、录音模块、语音播放模块、RFID模块、按键选择模块、微处理器、稳压电源模块、标签。各个模块与微处理器的I/O口相连接。其中语音播放模块与录音模块组成了语音录放模块。如图3所示为本装置系统框图。

　　2.1 超声波模块

　　为了检测到前方的障碍物，及时提醒用户避开障碍物，避免撞上受到伤害，设计的手持交互式装置通过超声波模块来完成。超声波模块与微处理器直接相连。超声波模块正面有两个超声波探头，负责超声波的发射和接收。该模块有两组接口，即位于模块背面的模式选择跳线和5个Pin接口(从左向右命名为Pin1~ Pin5)，间距均为2.54 mm。用微处理器控制超声波模块的发射探头发出约40 kHz的超声波，超声波遇到障碍物就会发生反射，在一定的范围内，接收探头能够接收其反射回来的超声波，并通过技术处理，转化为高低电平信号，再传递给微处理器进行进一步的处理。

　　超声波模块主要用于测障碍物，其实物图如图4所示。该装置的超声波模块采用HC-SR04，HC-SR04具体由台湾STC公司生产的芯片STC11、美国DALLAS公司生产的芯片MAX232、芯片TL074，以及一些电阻、电容、PNP、NPN、微型喇叭组成。HC-SR04由稳压电源模块供给稳定的5 V直流电源，其VCC端口与稳压电源模块分流、稳压后得到的5 V直流电源相连。发射端口Trig端口与STC公司生产的单片机STC15L2K60S2的P2.7口单线相连，单片机STC15L2K60S2的指令通过单线接口P2.7传送到端口Trig，Trig即触发控制信号输入，从而能够控制超声波模块开始工作。HC-SR04的端口Echo是回响信号输出端口，此端口与单片机STC15L2K60S2的引脚P2.6直接相连，有信号返回时，通过I/O口Echo输出一个高电平，也即可知前方有障碍物。这个信息会返回给单片机STC15L2K60S2进行下一步的处理。HC-SR04的GND端口接地。超声模块工作流程如图5所示。

　　2.2 RFID模块

　　为了实现此设计的社交功能，采用RFID模块和标签。RFID模块与微处器直接相连，镶嵌在盲杖的表面，标签由熟人携带。RFID模块主要由无线接收器、天线、数据处理模块等功能模块组成，工作在2.4 GHz~2.5 GHz微波段，内置天线，可有效识别半径8 m以内的电子标签。若安装高增益外置天线，最远识别距离可达50 m。有源标识卡即电子标签，不断主动向外发出无线电信号(1秒钟发送3次)，并且能够传递很远的距离，该无线信号是有编码的，每个标识卡的编码是唯一的。标识卡发出的无线信号如果是在RFID模块中读卡器的有效测量距离内，则该无线信号通过读卡器上的天线被读卡器接收并解码，然后可以通过TTL232接口将接收到的信息发送给微处理器进行处理。

　　本装置RFID模块的设计采用荷兰DSM公司生产的DSM-300模块实现。此模块共有6个端口。其中DSM-300的端口1与稳压电源模块分流、稳压后得到的3.3 V直流电源相连，以供给整个RFID模块用电;端口2和端口5为空;端口3(TxD端)与单片机STC15L2K60S2的P3.0(RxD端)相连;端口4(RxD端)与单片机STC15L2K60S2的P3.1(TxD端)相连;端口6接地。将所有模块的GND端连在一起，实现共地，完成RFID模块与微处理器之间的信息沟通。其工作流程图如图6所示。

　　2.3 其他模块

　　微处理器采用STC公司生产的型号为STC15L2K60S2的芯片，用以协调各个模块稳定工作。STC15L2K60S2芯片上共有44个引脚，每个引脚的功能各不相同。稳压电源模块为了携带方便，本文选取在内部电池组供电，再通过整流、滤波、稳压一系列变化得到需要的恒定电压。采用惠斯通电桥进行整流，并联电容进行滤波，采用TI公司生产的LM78系列三端稳压芯片进行稳压。语音播放模块将需要播报的语音首先录入美国ISD公司生产的ISD1760，STC15L2K60S2的P0.4口~P0.7口分别与ISD1760的MISO、MOSI、SCLK、SS相连，这样微处理器就能够直接调用录入ISD1760的每一段语音的地址，进行语音播报。

　　3 结论

　　由于技术上的不足和实验条件的有限，此交互式盲杖还存在一定的不足。超声波导盲的缺点是不能探测到凹坑等障碍物，传播会受到衍射、散射和吸收的影响，所以超声波导盲存在漏检盲区信息的问题。利用射频识别技术进行社交还存在一些问题，比如自主设置射程距离、有源标签价格较贵等问题。随着射频识别技术的逐步完善，无芯片射频标签的进一步研究，未来可以用无芯片标签代替有源标签，以节省成本。市面上已经存在利用射频识别技术的一些盲人用品，但是在盲人社交方面相关产品还是很稀缺，利用射频识别技术来帮助盲人社交在未来会更完善。