前言

这是一个项目大纲存放贴，目的是理清学校“科研训练”中的“盲人导引”项目的技术细节和开发迭代进度，也是一个完整的嵌入式开发小项目的实现案例，包括从确定功能，选择器件，编写代码到实际的设计电路、制作PCB和最小可行实例（MVP），希望可供大家参考。

项目概述

功能要求

对于针对盲人的导引设备，应该适合用户视力障碍的特性，需要使用传感器、语音提示、路径规划和物联网等技术实现警示、导引避障、报警等辅助功能，具体的功能要求如下：

警示灯：自动检测光强，当环境光线较低或者用户主动双击按键时，点亮警示灯并且闪烁，提醒人行道上的路人注意避让。
语音指引：通过HC-SR04 距离传感器测量距离，当距离小于一定大小时，通过串口TTS模块发出提示。在实现此功能的情况下，考虑增设两个左右各75度方向的超声波或TOF激光测距传感器，实现在检测到障碍的情况下判断路况并指导盲人转向，直到前方障碍物消失。
定位和报警：通过GPS模块来确定经纬度，GSM模块负责发送信息。用户需要预先设定紧急联系人列表，当用户长按按键，或者MPU6050加速度传感器检测到过大的加速度且在一段时间之内未按键取消时，发出报警提示音并发送附带位置信息的报警短信（可以直接通过地图软件打开这个位置）。
其他：包含电源管理，多语言，以及触感导引（通过舵机和震动电机来实现提示和转向引导，适合听力存在障碍的用户）

需要准备的元器件

主控

STM32F103C8T6 最小系统板：STM32单片机具有低功耗，高性能，资源丰富等特点。由于该设备的语音、GSM、GPS三个模块均需要使用UART通信，且其他传感器也需要实时性较高的I2C、SPI通信，使用硬件外设接口丰富的STM32是最佳选择。
STM32

传感器

C78960 数字环境光传感器：这是一个自带光敏传感器、A-D转换电路和I2C Bus的数字光线传感器，可以通过I2C数字总线接口读取光照强度，以此判断是否需要点亮警示灯。
C78960

MPU6050 加速度传感器：这是一个比较常用的IMU设备，可以实时测量坐标系下三个方向的加速度（acc）和角速度（gyro）。通过加速度传感器，可以判断是否发生跌倒、碰撞等情况，并启动紧急报警。
HC-SR04 超声波测距传感器：可以通过声波发送和接收的时间差判断前方物体的距离，可以用于确定前方的障碍物。
实体按键：使用一个面积较大，突起明显、寿命长的机械按键作为唯一的用户输入设备，通过不同的按键方式来选择功能，降低用户的学习成本，方便使用。
ATK-1218 定位模块：可以通过GPS和北斗进行定位，并且通过串行接口发送经纬度，用于确定当前用户所处的位置。

执行器

蜂鸣器、LED：用于发出响声和警报光线。
GA-68 通信模块：可以连接2G移动网络并接收AT指令发送短信，实现短信求助和报警。
Serial TTS 文字转语音模块：可以将文字提示转换为语音输出，以提示盲人相关信息。

附件

锂离子电池：使用3000mAh 18650可拆卸锂离子电池，既可以保障长时间的续航，又方便用户随时更换。
电源管理模块：使用TP4056进行电池的放电管理和充电保护，使用现代的Type-C接口连接电源，兼容各种充电器。

功能实现逻辑

首先，用户按下按键，设备的各个外设初始化，STM32通过串口向TTS模块发送信息“开机”。
程序中，通过定时器中断，每1s向C78960发送读数据请求，通过I2C协议读取当前的光照强度，通过实际测量的数据，我们可以确定一个“能见度较低”的光照强度阈值，当测量的强度低于该阈值（或用户双击按钮）时，语音提示“指示灯开启”，红色LED将按照一定频率闪烁，直到光线恢复或用户再次双击按键（按照唤起闪烁的方式决定），关闭LED的闪烁。
拐杖的中下部约30厘米处安装一个通过3D打印制作的传感器模组框架，固定正前方、左侧75度和右侧75度三个超声波传感器，模拟一般视野的可见范围。在正常行走时，程序每0.5秒通过TRIG接口发送测量请求，使用一个空置Timer测量接收到的ECHO信号长度，并通过算法转换为长度。当长度小于一定大小（2m）时，蜂鸣器会由慢到快地响铃，并且语音模块提示“发现障碍物”。
在此状态下，STM32会轮流扫描左、右、中三个传感器的数据，寻找左、右侧的可行性，当某侧的距离可判定为“无穷大”或“大于安全距离”时，会提示用户朝这个方向转弯，直到中间的传感器不再探测到障碍物。判断的逻辑如下：

左侧	中间	右侧	提示
大于阈值	小于阈值	大于阈值	默认右转弯
小于阈值	小于阈值	大于阈值	右转弯
大于阈值	小于阈值	小于阈值	小心向左转
小于阈值	小于阈值	小于阈值	此路不通，请手动探测
任意	大于阈值	任意	请直行

主控每0.3s会通过硬件SPI接口检测MPU6050传感器的加速度信息，一般而言，加速度在不受外力的情况下，矢量合力向下，大小为重力加速度。通过三维坐标系的勾股定理，可以计算出合加速度的大小。系统维护一个长度较小的滤波窗口，并对每次接收的加速度大小进行差分，一旦加速度的变化率过大，系统就会触发“预报警模式”。
考虑到触发此模式时，可能是因为不慎掉落，也可能是用户已经因受伤或视力问题无法行动，语音模块会先发出“您安全吗？如果安全请在10秒内按下按键”的提示音，如果用户没有按下按键，计时结束后，会触发短信报警模式。（在一般状态下，长按5秒以上也可以直接触发报警模式）
报警时，系统通过GPS模块进行定位，将信息进行打包，使其成为可以被直接从地图打开的形式（URL Scheme）：

1 2	我遇到了紧急状况，需要你的帮助！下面的地址是我现在的位置： https://uri.amap.com/marker?position=116.397470,39.908823&name=我的位置

系统内预先设定联系人列表，通过串口指令可进行增删改查。
在位置确定后，STM32通过AT指令与GSM模块通信，逐个发送求助短信。并且不断发出蜂鸣声和最大音量的“我需要帮助”提示音，直到再次按下按钮。

以上是系统的初版程序逻辑。

项目设计

外壳

设想采用钢管/塑料管搭配反光条作为拐杖主体，传感器固定在拐杖中部，主机、电池等集成在一块主板上，固定在拐杖上方。把持部分使用类似于“自行车龙头”的设计，以保证传感器方向始终向前，且该结构还可以方便的进行升级改造，加入震动导引等含有方向+触感的功能。
按钮安装在龙头前部，设计为阻尼较大的机械按键，以防止误触，指示灯安装在主机前端和后端，并加匀光罩，可以使周围行人和车辆发现。
3D结构图待设计

电路

待补充

程序代码

待补充

PCB

待补充

总结

待补充