CN105929428B - 一种基于cps实时嵌入式系统的盲人导航装置 - Google Patents

一种基于cps实时嵌入式系统的盲人导航装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，属于电子产品技术领域。本发明包括自动发电的多功能导盲杖、蓝牙耳机墨镜；自动发电的多功能导盲杖包括振动隔片、温湿度传感器模块、压电振子、压电效应能量收集电路、GPS定位导航模块、超声波测距模块、蓝牙收发模块、USB充电电路；所述振动隔片与超声波测距模块连接，压电振子与压电效应能量收集电路连接，温湿度传感器模块、GPS定位导航模块均与蓝牙收发模块、USB充电电路连接。本发明充分考虑人性化设计及实际使用情况，操作方便，成本低廉，结构简单，具有实用性，体现了人性关怀，具有市场推广价值和意义。

Description

一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置
技术领域
本发明涉及一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，属于电子产品技术领域。
背景技术
在一些适用于盲人的辅助装备中，需要对盲人行走进行帮助，盲人作为一种视力不佳的特殊群体，在行走仅仅需要一根导盲杖是不够的，为了增加其安全感需要让盲人知道前方有障碍物，现在所处的地理位置，具体的行走路线和此时的时间和天气以及未来的天气情况。盲人在外出是所需的这些装备是必要的，但是每次外出时始终确保电量充足是不现实的，每次外出前都必须充满电量又不方便，所以人们要求提供一种可以自行发电并且可以给辅助装备充电的导盲杖。本发明设计充分考虑人性化设计及实际使用情况，操作方便，成本低廉，结构简单，具有实用性，体现了人性关怀，具有市场推广价值和意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明提供一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，用于解决现有的导盲装置使用不方便、导盲效果差、无法提供充电的问题，本发明充分考虑使用者视力不足情况及外出时需要佩戴墨镜的习惯，使使用者可以通过佩戴蓝牙耳机墨镜与导盲杖进行信息交流。结合实际使用情况增加了导盲杖自动发电的功能，可为包括蓝牙耳机墨镜在内的便携式设备提供电源。
本发明技术方案是：一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，包括自动发电的多功能导盲杖、蓝牙耳机墨镜；自动发电的多功能导盲杖包括振动隔片1、温湿度传感器模块4、压电振子5、压电效应能量收集电路6、GPS定位导航模块8、超声波测距模块10、蓝牙收发模块11、USB充电电路13；所述振动隔片1与超声波测距模块10连接，压电振子5与压电效应能量收集电路6连接，温湿度传感器模块4、GPS定位导航模块8均与蓝牙收发模块11、USB充电电路13连接。
所述压电振子5设置在自动发电的多功能导盲杖的底部，超声波测距模块10中的超声波测距传感器9设置在自动发电的多功能导盲杖的盲杖外侧，振动隔片1设置在盲杖的手柄处，盲杖中还设置有电池Ⅰ7。
所述蓝牙耳机墨镜包括USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21；USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21均设置在墨镜的镜架上。
所述超声波测距模块10包括由Arduino芯片2、电阻R1、二极管D1、超声波测距传感器9；所述Arduino芯片2的Vcc脚连接超声波测距传感器9的Vcc脚，GND脚与超声波测距传感器9的GND脚相连，D3脚连接超声波测距传感器9的Echo脚，D2脚连接超声波测距传感器9的Trig脚，D10脚连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极再与电阻R1的一端相连，GND2脚与电阻R1的另一端相连，Arduino芯片2与位于手柄的振动隔片1相连。
所述压电效应能量收集电路6包括桥式整流二极管D2、二极管D3、选择器X1、X2、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、555定时器和内部电池；其中Q2、Q7为N沟道耗尽型MOS管，Q1是P沟道耗尽型MOS管，Q9是N沟道增强型MOS管，压电振子5上下极分别与桥式整流二极管D2的两端相连，桥式整流二极管D2并联一个电容C1后连接MOS管Q5，Q5与Q6相连，再通过电阻R5与Q7相连，Q5还与电阻R6的一端相连，R6的另一端分别与Q8的一端、电容C6的一端、电阻R7的一端相连，电容C6的另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与电阻R7的另一端相连，电阻R7、电阻R8串联之后与选择器X1并联，选择器X1的输出接内部电池，Q6并联电阻R9后与Q7串联后再并联电容C2，电阻R10、R11串联后再与电容C2、选择器X2并联，选择器X2输出信号于MOS管Q9，MOS管Q9再分别与Q8、电阻R12相连，R6的另一端还分别与MOS管Q1、电阻R2相连，R2与MOS管Q1并联，后再与MOS管Q2串联，MOS管Q1再分别与电容C3的一端、电阻R3的一端、MOS管Q3相连，电容C3的另一端与电容C4的一端、电容C5的一端相连，电容C4的另一端与电阻R4相连，电阻R4再与电阻R3的另一端相连，电容C5的另一端与555定时器相连。
所述温湿度传感器模块4包括AT89C2051芯片、SHT11芯片、晶体振荡器D4、电阻R12、R13、R14、电容C7、C8、C9、C10；AT89C2051芯片RESET脚分别与电阻R12、电阻R13、电容C9的一端连接，电阻R12与电容C9的另一端接电源，电阻R13的另一端接地，AT89C2051芯片的P1.0口分别与电阻R14的一端、SHT11芯片的DATA脚相连，AT89C2051芯片的X1脚分别与电容C7、晶体振荡器D4的一端相连，晶体振荡器D4的另一端与AT89C2051芯片的X2脚以及电容C8的一端相连，电容C7、电容C8的另一端均接地，AT89C2051芯片P1.1脚连接SHT11芯片的SCK脚，SHT11芯片的VDD脚分别与电源、电容C10 的一端相连，电容C10 的另一端接地。
所述GPS定位导航模块8包括uPC8231芯片、B7839芯片、接口J1、J2、J3、J4、J5、电阻R_14、R15、R16、电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、电感L1、L2、L3、L4、L5；接口J1与电容C15相连后通过电容C11接地，接口J1与电阻R_14相连后与电感L5相连，电感L5再分别接接口J5、电容C16，电容C16的另一端接地，电阻R_14与电感L5之间的连线与电阻R16连接之后再分别与电感L4和电容C12的一端相连，电感L4的另一端分别与uPC8231芯片的OUT端、电阻R15、电感L2的一端相连，电阻R15、电感L2的另一端分别与接口J2和电容C17相连，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端与B7839芯片的INPUT脚相连，B7839芯片的OUTPUT脚与电容C13相连，电容C13的另一端再分别与电感L3的一端、电容C14的一端相连，电感L3的另一端接接口J3，电容C14的另一端接地，接口J2接uPC8231芯片的Vcc口，uPC8231芯片的两个GND脚都接地，IN脚通过电感L1分别与电容C15、C11相连，uPC8231芯片的PS脚接接口J4。
所述的蓝牙收发模块11包括LPC2132控制器、蓝牙芯片；蓝牙芯片内部主要由接口J6、J7、J8、J9和天线12构成；接口J6、J7与LPC2132控制器的数据处理模块连接，接口J8、J9与LPC2132控制器的控制模块连接，蓝牙芯片外设一根天线12。
所述的USB充电电路13包括USB接口J10、J12、变压器22、电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、电容C18、C19、二极管D5、D6、D7、D8、D9、三极管D14、D15、LED小灯泡D10；USB接口J10分别与二极管D5的阳极、电阻R17的一端相连，二极管D5的阴极分别与晶体振荡器D11、电阻R18、电容C18、电阻R21的一端相连，晶体振荡器D11的另一端与电阻R17的另一端相连，电阻R18的另一端分别与三极管D14的基极、三极管D15的集电极相连，电容C18、电阻R21的另一端均与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极分别与三极管D14的集电极、变压器22相连，三极管D14的发射极分别与电阻R19、R20的一端相连，电阻R19的另一端与电阻R17的另一端相连，R20的另一端分别与二极管D6的阳极、三极管D15的基极相连，三极管D15的发射极与晶体振荡器D12的一端相连，晶体振荡器D12的另一端与变压器22相连，三极管D15的集电极与电容C19的一端相连，电容C19的另一端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与晶体振荡器D12相连，晶体振荡器D13分别与电阻R23、USB接口J12相连，电阻R23另一端与LED小灯泡D10相连，LED小灯泡D10再与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与变压器22相连。
所述蓝牙耳机电路模块17包括USB接口J11、内置电源电池23、低压差线性稳压器24、数字音频接口27、解码芯片16、内置功率放大器28、蓝牙芯片29；USB接口J11连接内置电源电池23，低压差线性稳压器24的输入电压26分别与低压差线性稳压器24的输出电压25、解码芯片16相连，低压差线性稳压器24的输出电压25连接蓝牙芯片29，蓝牙芯片29通过数字音频接口27与解码芯片16连接，解码芯片16连接内置功率放大器28向外输出，蓝牙芯片29有外置的天线；
所述解码芯片16包括平衡不平衡转换器30、射频接收器31、射频发送器32、中央处理器33、处理器34、总线35、串行外设接口36、通用异步收发传输器37、外部音频接口38、内部闪存39、时钟发生器40、频率合成器41；其中处理器34包括存储管理单元、随机存储器、数字信号处理器、中断控制器、精简指令控制器、可编程输入输出口；平衡不平衡转换器30与射频接收器31、射频发送器32相连，射频接收器31、射频发送器32均再分别与中央处理器33、频率合成器41连接，中央处理器33、内部闪存39分别与处理器34内的存储管理单元连接，处理器34内的数字信号处理器、精简指令控制器分别与时钟发生器40连接，处理器34通过总线35与串行外设接口36、通用异步收发传输器37、外部音频接口38相连接，其中外部音频接口38与数字信号通过脉冲编码调制和数字音频接口38两个接口相连接。
本发明的工作原理是：
本设备工作时通过向压电振子5某些方向施加作用力使压电振子的晶片变形后，晶片上下的两个表面会出现等量的正、负电荷，通过压电效应能量收集电路6输出稳压直流为内部电池供电。其中压电效应能量收集电路6如图4所示，Q2、Q7为N沟道耗尽型MOS管，Q1是P沟道耗尽型MOS管，Q9是N沟道增强型MOS管，当导盲杖中的内部电池没有电量时，通过压力作用压电振子5给C1充电，此时Q6导通，开始给C2充电，当内部电池有一定电量时，电压比较器开始工作，产生高电平选择信号，高电平选择信号使得Q2、Q7导通，Q7导通时，使得Q6被断开；Q2导通时，Q1导通，555定时器电路开始工作，经过Q3、Q4组成的功率放大器放大以后输出555定时器的PWM信号，这样，周而复始给内部电池供电，直到电池电压到恒定值，其中内部电池向外提供电源，给导盲杖的电池Ⅰ7供电。位于导盲杖顶端的USB充电电路13，可用于对蓝牙耳机墨镜或其他便携式设备充电。其USB接口J12充电电路由导盲杖的电池Ⅰ7通过接口J10向USB接口J12传输电能，经过充电电路处理后向USB接口J12输出给包括含有USB接口14的在内的蓝牙耳机墨镜以及其他便携式设备提供电能。当外部有USB设备插入USB接口J12时，LED灯小灯泡D10亮。超声波测距模块（10）由超声波测距传感器（9）传入信号给Arduino芯片2进行处理控制位于手柄的振动隔片1发出振动（其中开关3可以控制Arduino芯片2是否工作）。蓝牙芯片29及其所需电路由USB充电电路（13）由USB接口J12提供，将电源传输至内置电池电源23存储，内置电池电源23为蓝牙耳机墨镜提供电能。由低压差线性稳压器24从输入电压26中减去超额的电压，产生经过调节的输出电压25。将蓝牙信号与语音信号互相转换需要连接数字音频接口27（PCM接口）并且通过解码芯片16进行解码通过内置功率放大器28输出信号。解码芯片16中信号输入至平衡不平衡转换器30，处理后经过射频接收器31发送至中央处理器33，或由中央处理器33向射频发送器32数据传回平衡不平衡转换器30。向外传输信号时中央处理器33判断处理信号后将结果发送至处理器34，处理器34包括存储管理单元、随机存储器、数字信号处理器、中断控制器、精简指令控制器、可编程输入输出口，处理器34中的数据通过总线35与串行外设接口36、通用异步收发传输器37、外部音频接口38交互。外部音频接口38中的数字信号通过脉冲编码调制（Pulse CodeModulation,PCM）和数字音频接口（Sony/Philips Digital Interface Format, SPDIF）向蓝牙耳机20输出。其中，存储器管理单元与内部闪存39相互交互数据，时钟发生器40向数字信号处理器和精简指令控制器发出信号。频率合成器41控制射频接收器31、射频发送器32的工作频率。导盲杖通过蓝牙传输信号给墨镜，墨镜将信息通过耳机20语音传输给使用者。位于左侧镜腿中部装有两个开关Ⅰ18 、开关Ⅱ19，长按开关Ⅰ18可打开/关闭蓝牙耳机墨镜，需要语音控制多功能导盲杖时按着开关Ⅱ19说话即可。使用者通过蓝牙耳机墨镜的声音接收装置（麦克风21）向耳机询问“现在时间”、“温度”、“湿度”、“我在哪里”、“我要去XX地方”，这些信息通过蓝牙耳机电路模块17和解码芯片16处理后产生的信号发送给导盲杖蓝牙收发装置11处理，处理后的数据分别发送给温湿度传感器模块4、GPS定位导航模块8，温湿度传感器模块4、GPS定位导航模块8将内部所探测的信息通过控制器反馈回导盲杖蓝牙收发模块11，所涉及数据发送至蓝牙耳机电路模块17和解码芯片16，经过处理后传输至耳机20告知使用者“现在时间”、“温度”、“湿度”、“此时位置”、“路线”信息。温湿度传感器模块4由SHT11温湿度传感器测量信号后传输至AT89C2051单片机进行处理。GPS定位导航模块（8）中，射频输入信号由J1口输入至模块内， VCCRF由J4口输入芯片uPC8231的PS脚以及由J2口输入Vcc脚，处理后的数据由OUT脚输入芯片B7839的INPUT脚，再由芯片B7839处理后由OUTPUT脚输出至射频输出信号口J3。
本发明的有益效果是：
本发明能有效识别前行方向上的障碍物，协助盲人安全独立出行，能为盲人外出时提供实时定位及导航路线，能通知使用者实时时间及环境温湿度信息。设备充分考虑使用者视力不足情况及外出时需要佩戴墨镜的习惯，使使用者可以通过佩戴蓝牙耳机墨镜与导盲杖进行信息交流。结合实际使用情况增加了导盲杖自动发电的功能，可为包括蓝牙耳机墨镜在内的便携式设备提供电源。本发明设计充分考虑人性化设计及实际使用情况，操作方便，成本低廉，结构简单，具有实用性，体现了人性关怀，具有市场推广价值和意义。
附图说明
图1 是本发明多功能导盲杖结构示意图；
图2 是本发明蓝牙耳机墨镜结构示意图；
图3 是本发明HC-SR04超声波测距模块电路原理图；
图4 是本发明压电效应能量收集电路原理图；
图5是本发明 SHT11温湿度传感器模块电路原理图；
图6 是本发明GPS定位导航模块电路原理图；
图7 是本发明导盲杖上的蓝牙收发模块的电路原理图；
图8是本发明 USB充电电路原理图；
图9 是本发明蓝牙耳机电路模块连接框图；
图10是本发明蓝牙耳机解码芯片连接框图。
图1-10中各标号：1-振动隔片，2-Arduino芯片，3-开关，4-温湿度传感器模块，5-压电振子，6-压电效应能量收集电路，7-电池Ⅰ，8-GPS定位导航模块，9-超声波测距传感器，10-超声波测距模块，11-蓝牙收发模块，12-天线，13-USB充电电路，14-USB接口，15-电池Ⅱ，16-解码芯片，17-蓝牙耳机电路模块，18-开关Ⅰ，19-开关Ⅱ，20-耳机，21-麦克风，22变压器，23-内置电源电池，24-低压差线性稳压器，25-输出电压，26-输入电压，27-数字音频接口，28-内置功率放大器，29-蓝牙芯片，30-平衡不平衡转换器，31-射频接收器，32-射频发送器，33-中央处理器，34-处理器，35-总线，36-串行外设接口，37-通用异步收发传输器，38-外部音频接口，39-内部闪存，40-时钟发生器，41-频率合成器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，包括自动发电的多功能导盲杖、蓝牙耳机墨镜；自动发电的多功能导盲杖包括振动隔片1、温湿度传感器模块4、压电振子5、压电效应能量收集电路6、GPS定位导航模块8、超声波测距模块10、蓝牙收发模块11、USB充电电路13；所述振动隔片1与超声波测距模块10连接，压电振子5与压电效应能量收集电路6连接，温湿度传感器模块4、GPS定位导航模块8均与蓝牙收发模块11、USB充电电路13连接。
所述压电振子5设置在自动发电的多功能导盲杖的底部，超声波测距模块10中的超声波测距传感器9设置在自动发电的多功能导盲杖的盲杖外侧，振动隔片1设置在盲杖的手柄处，盲杖中还设置有电池Ⅰ7。
所述蓝牙耳机墨镜包括USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21；USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21均设置在墨镜的镜架上。
实施例2：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例1相同，其中：
所述超声波测距模块10包括由Arduino芯片2、电阻R1、二极管D1、超声波测距传感器9；所述Arduino芯片2的Vcc脚连接超声波测距传感器9的Vcc脚，GND脚与超声波测距传感器9的GND脚相连，D3脚连接超声波测距传感器9的Echo脚，D2脚连接超声波测距传感器9的Trig脚，D10脚连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极再与电阻R1的一端相连，GND2脚与电阻R1的另一端相连，Arduino芯片2与位于手柄的振动隔片1相连。
实施例3：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例2相同，其中：
所述压电效应能量收集电路6包括桥式整流二极管D2、二极管D3、选择器X1、X2、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、555定时器和内部电池；其中Q2、Q7为N沟道耗尽型MOS管，Q1是P沟道耗尽型MOS管，Q9是N沟道增强型MOS管，压电振子5上下极分别与桥式整流二极管D2的两端相连，桥式整流二极管D2并联一个电容C1后连接MOS管Q5，Q5与Q6相连，再通过电阻R5与Q7相连，Q5还与电阻R6的一端相连，R6的另一端分别与Q8的一端、电容C6的一端、电阻R7的一端相连，电容C6的另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与电阻R7的另一端相连，电阻R7、电阻R8串联之后与选择器X1并联，选择器X1的输出接内部电池，Q6并联电阻R9后与Q7串联后再并联电容C2，电阻R10、R11串联后再与电容C2、选择器X2并联，选择器X2输出信号于MOS管Q9，MOS管Q9再分别与Q8、电阻R12相连，R6的另一端还分别与MOS管Q1、电阻R2相连，R2与MOS管Q1并联，后再与MOS管Q2串联，MOS管Q1再分别与电容C3的一端、电阻R3的一端、MOS管Q3相连，电容C3的另一端与电容C4的一端、电容C5的一端相连，电容C4的另一端与电阻R4相连，电阻R4再与电阻R3的另一端相连，电容C5的另一端与555定时器相连。
实施例4：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例3相同，其中：
所述温湿度传感器模块4包括AT89C2051芯片、SHT11芯片、晶体振荡器D4、电阻R12、R13、R14、电容C7、C8、C9、C10；AT89C2051芯片RESET脚分别与电阻R12、电阻R13、电容C9的一端连接，电阻R12与电容C9的另一端接电源，电阻R13的另一端接地，AT89C2051芯片的P1.0口分别与电阻R14的一端、SHT11芯片的DATA脚相连，AT89C2051芯片的X1脚分别与电容C7、晶体振荡器D4的一端相连，晶体振荡器D4的另一端与AT89C2051芯片的X2脚以及电容C8的一端相连，电容C7、电容C8的另一端均接地，AT89C2051芯片P1.1脚连接SHT11芯片的SCK脚，SHT11芯片的VDD脚分别与电源、电容C10 的一端相连，电容C10 的另一端接地。
实施例5：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例4相同，其中：
所述GPS定位导航模块8包括uPC8231芯片、B7839芯片、接口J1、J2、J3、J4、J5、电阻R_14、R15、R16、电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、电感L1、L2、L3、L4、L5；接口J1与电容C15相连后通过电容C11接地，接口J1与电阻R_14相连后与电感L5相连，电感L5再分别接接口J5、电容C16，电容C16的另一端接地，电阻R_14与电感L5之间的连线与电阻R16连接之后再分别与电感L4和电容C12的一端相连，电感L4的另一端分别与uPC8231芯片的OUT端、电阻R15、电感L2的一端相连，电阻R15、电感L2的另一端分别与接口J2和电容C17相连，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端与B7839芯片的INPUT脚相连，B7839芯片的OUTPUT脚与电容C13相连，电容C13的另一端再分别与电感L3的一端、电容C14的一端相连，电感L3的另一端接接口J3，电容C14的另一端接地，接口J2接uPC8231芯片的Vcc口，uPC8231芯片的两个GND脚都接地，IN脚通过电感L1分别与电容C15、C11相连，uPC8231芯片的PS脚接接口J4。
实施例6：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例5相同，其中：
所述的蓝牙收发模块11包括LPC2132控制器、蓝牙芯片；蓝牙芯片内部主要由接口J6、J7、J8、J9和天线12构成；接口J6、J7与LPC2132控制器的数据处理模块连接，接口J8、J9与LPC2132控制器的控制模块连接，蓝牙芯片外设一根天线12。
实施例7：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，本实施例与实施例6相同，其中：
所述的USB充电电路13包括USB接口J10、J12、变压器22、电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、电容C18、C19、二极管D5、D6、D7、D8、D9、三极管D14、D15、LED小灯泡D10；USB接口J10分别与二极管D5的阳极、电阻R17的一端相连，二极管D5的阴极分别与晶体振荡器D11、电阻R18、电容C18、电阻R21的一端相连，晶体振荡器D11的另一端与电阻R17的另一端相连，电阻R18的另一端分别与三极管D14的基极、三极管D15的集电极相连，电容C18、电阻R21的另一端均与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极分别与三极管D14的集电极、变压器22相连，三极管D14的发射极分别与电阻R19、R20的一端相连，电阻R19的另一端与电阻R17的另一端相连，R20的另一端分别与二极管D6的阳极、三极管D15的基极相连，三极管D15的发射极与晶体振荡器D12的一端相连，晶体振荡器D12的另一端与变压器22相连，三极管D15的集电极与电容C19的一端相连，电容C19的另一端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与晶体振荡器D12相连，晶体振荡器D13分别与电阻R23、USB接口J12相连，电阻R23另一端与LED小灯泡D10相连，LED小灯泡D10再与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与变压器22相连。
实施例8：如图1-10所示，一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，包括自动发电的多功能导盲杖、蓝牙耳机墨镜；自动发电的多功能导盲杖包括振动隔片1、温湿度传感器模块4、压电振子5、压电效应能量收集电路6、GPS定位导航模块8、超声波测距模块10、蓝牙收发模块11、USB充电电路13；所述振动隔片1与超声波测距模块10连接，压电振子5与压电效应能量收集电路6连接，温湿度传感器模块4、GPS定位导航模块8均与蓝牙收发模块11、USB充电电路13连接。
所述压电振子5设置在自动发电的多功能导盲杖的底部，超声波测距模块10中的超声波测距传感器9设置在自动发电的多功能导盲杖的盲杖外侧，振动隔片1设置在盲杖的手柄处，盲杖中还设置有电池Ⅰ7。
所述蓝牙耳机墨镜包括USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21；USB接口14、电池Ⅱ15、蓝牙耳机电路模块17、开关Ⅰ18、开关Ⅱ19、耳机20、麦克风21均设置在墨镜的镜架上。
所述超声波测距模块10包括由Arduino芯片2、电阻R1、二极管D1、超声波测距传感器9；所述Arduino芯片2的Vcc脚连接超声波测距传感器9的Vcc脚，GND脚与超声波测距传感器9的GND脚相连，D3脚连接超声波测距传感器9的Echo脚，D2脚连接超声波测距传感器9的Trig脚，D10脚连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极再与电阻R1的一端相连，GND2脚与电阻R1的另一端相连，Arduino芯片2与位于手柄的振动隔片1相连。
所述压电效应能量收集电路6包括桥式整流二极管D2、二极管D3、选择器X1、X2、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、555定时器和内部电池；其中Q2、Q7为N沟道耗尽型MOS管，Q1是P沟道耗尽型MOS管，Q9是N沟道增强型MOS管，压电振子5上下极分别与桥式整流二极管D2的两端相连，桥式整流二极管D2并联一个电容C1后连接MOS管Q5，Q5与Q6相连，再通过电阻R5与Q7相连，Q5还与电阻R6的一端相连，R6的另一端分别与Q8的一端、电容C6的一端、电阻R7的一端相连，电容C6的另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与电阻R7的另一端相连，电阻R7、电阻R8串联之后与选择器X1并联，选择器X1的输出接内部电池，Q6并联电阻R9后与Q7串联后再并联电容C2，电阻R10、R11串联后再与电容C2、选择器X2并联，选择器X2输出信号于MOS管Q9，MOS管Q9再分别与Q8、电阻R12相连，R6的另一端还分别与MOS管Q1、电阻R2相连，R2与MOS管Q1并联，后再与MOS管Q2串联，MOS管Q1再分别与电容C3的一端、电阻R3的一端、MOS管Q3相连，电容C3的另一端与电容C4的一端、电容C5的一端相连，电容C4的另一端与电阻R4相连，电阻R4再与电阻R3的另一端相连，电容C5的另一端与555定时器相连。
所述温湿度传感器模块4包括AT89C2051芯片、SHT11芯片、晶体振荡器D4、电阻R12、R13、R14、电容C7、C8、C9、C10；AT89C2051芯片RESET脚分别与电阻R12、电阻R13、电容C9的一端连接，电阻R12与电容C9的另一端接电源，电阻R13的另一端接地，AT89C2051芯片的P1.0口分别与电阻R14的一端、SHT11芯片的DATA脚相连，AT89C2051芯片的X1脚分别与电容C7、晶体振荡器D4的一端相连，晶体振荡器D4的另一端与AT89C2051芯片的X2脚以及电容C8的一端相连，电容C7、电容C8的另一端均接地，AT89C2051芯片P1.1脚连接SHT11芯片的SCK脚，SHT11芯片的VDD脚分别与电源、电容C10 的一端相连，电容C10 的另一端接地。
所述GPS定位导航模块8包括uPC8231芯片、B7839芯片、接口J1、J2、J3、J4、J5、电阻R_14、R15、R16、电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、电感L1、L2、L3、L4、L5；接口J1与电容C15相连后通过电容C11接地，接口J1与电阻R_14相连后与电感L5相连，电感L5再分别接接口J5、电容C16，电容C16的另一端接地，电阻R_14与电感L5之间的连线与电阻R16连接之后再分别与电感L4和电容C12的一端相连，电感L4的另一端分别与uPC8231芯片的OUT端、电阻R15、电感L2的一端相连，电阻R15、电感L2的另一端分别与接口J2和电容C17相连，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端与B7839芯片的INPUT脚相连，B7839芯片的OUTPUT脚与电容C13相连，电容C13的另一端再分别与电感L3的一端、电容C14的一端相连，电感L3的另一端接接口J3，电容C14的另一端接地，接口J2接uPC8231芯片的Vcc口，uPC8231芯片的两个GND脚都接地，IN脚通过电感L1分别与电容C15、C11相连，uPC8231芯片的PS脚接接口J4。
所述的蓝牙收发模块11包括LPC2132控制器、蓝牙芯片；蓝牙芯片内部主要由接口J6、J7、J8、J9和天线12构成；接口J6、J7与LPC2132控制器的数据处理模块连接，接口J8、J9与LPC2132控制器的控制模块连接，蓝牙芯片外设一根天线12。
所述的USB充电电路13包括USB接口J10、J12、变压器22、电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、电容C18、C19、二极管D5、D6、D7、D8、D9、三极管D14、D15、LED小灯泡D10；USB接口J10分别与二极管D5的阳极、电阻R17的一端相连，二极管D5的阴极分别与晶体振荡器D11、电阻R18、电容C18、电阻R21的一端相连，晶体振荡器D11的另一端与电阻R17的另一端相连，电阻R18的另一端分别与三极管D14的基极、三极管D15的集电极相连，电容C18、电阻R21的另一端均与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极分别与三极管D14的集电极、变压器22相连，三极管D14的发射极分别与电阻R19、R20的一端相连，电阻R19的另一端与电阻R17的另一端相连，R20的另一端分别与二极管D6的阳极、三极管D15的基极相连，三极管D15的发射极与晶体振荡器D12的一端相连，晶体振荡器D12的另一端与变压器22相连，三极管D15的集电极与电容C19的一端相连，电容C19的另一端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与晶体振荡器D12相连，晶体振荡器D13分别与电阻R23、USB接口J12相连，电阻R23另一端与LED小灯泡D10相连，LED小灯泡D10再与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与变压器22相连。
所述蓝牙耳机电路模块17包括USB接口J11、内置电源电池23、低压差线性稳压器24、数字音频接口27、解码芯片16、内置功率放大器28、蓝牙芯片29；USB接口J11连接内置电源电池23，低压差线性稳压器24的输入电压26分别与低压差线性稳压器24的输出电压25、解码芯片16相连，低压差线性稳压器24的输出电压25连接蓝牙芯片29，蓝牙芯片29通过数字音频接口27与解码芯片16连接，解码芯片16连接内置功率放大器28向外输出，蓝牙芯片29有外置的天线；
所述解码芯片16包括平衡不平衡转换器30、射频接收器31、射频发送器32、中央处理器33、处理器34、总线35、串行外设接口36、通用异步收发传输器37、外部音频接口38、内部闪存39、时钟发生器40、频率合成器41；其中处理器34包括存储管理单元、随机存储器、数字信号处理器、中断控制器、精简指令控制器、可编程输入输出口；平衡不平衡转换器30与射频接收器31、射频发送器32相连，射频接收器31、射频发送器32均再分别与中央处理器33、频率合成器41连接，中央处理器33、内部闪存39分别与处理器34内的存储管理单元连接，处理器34内的数字信号处理器、精简指令控制器分别与时钟发生器40连接，处理器34通过总线35与串行外设接口36、通用异步收发传输器37、外部音频接口38相连接，其中外部音频接口38与数字信号通过脉冲编码调制和数字音频接口38两个接口相连接。
多功能导盲杖与蓝牙耳机墨镜组合使用可以提供周围环境温湿度信息，提供GPS定位导航和实时时间的功能。使用者出门在外，由于视力障碍不能明确行走方向以及此时所处位置。本发明不仅可以提供GPS定位导航功能还能告知使用者实时时间和此时周围环境的温湿度信息。带上墨镜后耳机20恰好可放入耳内。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (8)

1.一种基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：包括自动发电的多功能导盲杖、蓝牙耳机墨镜；自动发电的多功能导盲杖包括振动隔片（1）、温湿度传感器模块（4）、压电振子（5）、压电效应能量收集电路（6）、GPS定位导航模块（8）、超声波测距模块（10）、蓝牙收发模块（11）、USB充电电路（13）；所述振动隔片（1）与超声波测距模块（10）连接，压电振子（5）与压电效应能量收集电路（6）连接，温湿度传感器模块（4）、GPS定位导航模块（8）均与蓝牙收发模块（11）、USB充电电路（13）连接；
所述压电效应能量收集电路（6）包括桥式整流二极管D2、二极管D3、选择器X1、X2、MOS管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、555定时器和内部电池；其中Q2、Q7为N沟道耗尽型MOS管，Q1是P沟道耗尽型MOS管，Q9是N沟道增强型MOS管，压电振子（5）上下极分别与桥式整流二极管D2的两端相连，桥式整流二极管D2并联一个电容C1后连接MOS管Q5，Q5与Q6相连，再通过电阻R5与Q7相连，Q5还与电阻R6的一端相连，R6的另一端分别与Q8的一端、电容C6的一端、电阻R7的一端相连，电容C6的另一端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与电阻R7的另一端相连，电阻R7、电阻R8串联之后与选择器X1并联，选择器X1的输出接内部电池，Q6并联电阻R9后与Q7串联后再并联电容C2，电阻R10、R11串联后再与电容C2、选择器X2并联，选择器X2输出信号于MOS管Q9，MOS管Q9再分别与Q8、电阻R12相连，R6的另一端还分别与MOS管Q1、电阻R2相连，R2与MOS管Q1并联，后再与MOS管Q2串联，MOS管Q1再分别与电容C3的一端、电阻R3的一端、MOS管Q3相连，电容C3的另一端与电容C4的一端、电容C5的一端相连，电容C4的另一端与电阻R4相连，电阻R4再与电阻R3的另一端相连，电容C5的另一端与555定时器相连；
所述压电振子（5）设置在自动发电的多功能导盲杖的底部，超声波测距模块（10）中的超声波测距传感器（9）设置在自动发电的多功能导盲杖的盲杖外侧，振动隔片（1）设置在盲杖的手柄处，盲杖中还设置有电池Ⅰ（7）。
2.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述蓝牙耳机墨镜包括USB接口（14）、电池Ⅱ（15）、蓝牙耳机电路模块（17）、开关Ⅰ（18）、开关Ⅱ（19）、耳机（20）、麦克风（21）；USB接口（14）、电池Ⅱ（15）、蓝牙耳机电路模块（17）、开关Ⅰ（18）、开关Ⅱ（19）、耳机（20）、麦克风（21）均设置在墨镜的镜架上。
3.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述超声波测距模块（10）包括由Arduino芯片（2）、电阻R1、二极管D1、超声波测距传感器（9）；所述Arduino芯片（2）的Vcc脚连接超声波测距传感器（9）的Vcc脚，GND脚与超声波测距传感器（9）的GND脚相连，D3脚连接超声波测距传感器（9）的Echo脚，D2脚连接超声波测距传感器（9）的Trig脚，D10脚连接二极管D1的阳极，二极管D1的阴极再与电阻R1的一端相连，GND2脚与电阻R1的另一端相连，Arduino芯片（2）与位于手柄的振动隔片（1）相连。
4.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述温湿度传感器模块（4）包括AT89C2051芯片、SHT11芯片、晶体振荡器D4、电阻R12、R13、R14、电容C7、C8、C9、C10；AT89C2051芯片RESET脚分别与电阻R12、电阻R13、电容C9的一端连接，电阻R12与电容C9的另一端接电源，电阻R13的另一端接地，AT89C2051芯片的P1.0口分别与电阻R14的一端、SHT11芯片的DATA脚相连，AT89C2051芯片的X1脚分别与电容C7、晶体振荡器D4的一端相连，晶体振荡器D4的另一端与AT89C2051芯片的X2脚以及电容C8的一端相连，电容C7、电容C8的另一端均接地，AT89C2051芯片P1.1脚连接SHT11芯片的SCK脚，SHT11芯片的VDD脚分别与电源、电容C10 的一端相连，电容C10 的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述GPS定位导航模块（8）包括uPC8231芯片、B7839芯片、接口J1、J2、J3、J4、J5、电阻R_14、R15、R16、电容C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、电感L1、L2、L3、L4、L5；接口J1与电容C15相连后通过电容C11接地，接口J1与电阻R_14相连后与电感L5相连，电感L5再分别接接口J5、电容C16，电容C16的另一端接地，电阻R_14与电感L5之间的连线与电阻R16连接之后再分别与电感L4和电容C12的一端相连，电感L4的另一端分别与uPC8231芯片的OUT端、电阻R15、电感L2的一端相连，电阻R15、电感L2的另一端分别与接口J2和电容C17相连，电容C17的另一端接地，电容C12的另一端与B7839芯片的INPUT脚相连，B7839芯片的OUTPUT脚与电容C13相连，电容C13的另一端再分别与电感L3的一端、电容C14的一端相连，电感L3的另一端接接口J3，电容C14的另一端接地，接口J2接uPC8231芯片的Vcc口，uPC8231芯片的两个GND脚都接地，IN脚通过电感L1分别与电容C15、C11相连，uPC8231芯片的PS脚接接口J4。
6.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述的蓝牙收发模块（11）包括LPC2132控制器、蓝牙芯片；蓝牙芯片内部主要由接口J6、J7、J8、J9和天线（12）构成；接口J6、J7与LPC2132控制器的数据处理模块连接，接口J8、J9与LPC2132控制器的控制模块连接，蓝牙芯片外设一根天线（12）。
7.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述的USB充电电路（13）包括USB接口J10、J12、变压器（22）、电阻R17、R18、R19、R20、R21、R22、R23、电容C18、C19、二极管D5、D6、D7、D8、D9、三极管D14、D15、LED小灯泡D10；USB接口J10分别与二极管D5的阳极、电阻R17的一端相连，二极管D5的阴极分别与晶体振荡器D11、电阻R18、电容C18、电阻R21的一端相连，晶体振荡器D11的另一端与电阻R17的另一端相连，电阻R18的另一端分别与三极管D14的基极、三极管D15的集电极相连，电容C18、电阻R21的另一端均与二极管D7的阴极相连，二极管D7的阳极分别与三极管D14的集电极、变压器（22）相连，三极管D14的发射极分别与电阻R19、R20的一端相连，电阻R19的另一端与电阻R17的另一端相连，R20的另一端分别与二极管D6的阳极、三极管D15的基极相连，三极管D15的发射极与晶体振荡器D12的一端相连，晶体振荡器D12的另一端与变压器（22）相连，三极管D15的集电极与电容C19的一端相连，电容C19的另一端与电阻R22的一端相连，电阻R22的另一端分别与二极管D8的阴极相连，二极管D8的阳极与晶体振荡器D12相连，晶体振荡器D13分别与电阻R23、USB接口J12相连，电阻R23另一端与LED小灯泡D10相连，LED小灯泡D10再与二极管D9的阳极相连，二极管D9的阴极与变压器（22）相连。
8.根据权利要求1所述的基于CPS实时嵌入式系统的盲人导航装置，其特征在于：所述蓝牙耳机电路模块（17）包括USB接口J11、内置电源电池（23）、低压差线性稳压器（24）、数字音频接口（27）、解码芯片（16）、内置功率放大器（28）、蓝牙芯片（29）；USB接口J11连接内置电源电池（23），低压差线性稳压器（24）的输入电压（26）分别与低压差线性稳压器（24）的输出电压（25）、解码芯片（16）相连，低压差线性稳压器（24）的输出电压（25）连接蓝牙芯片（29），蓝牙芯片（29）通过数字音频接口（27）与解码芯片（16）连接，解码芯片（16）连接内置功率放大器（28）向外输出，蓝牙芯片（29）有外置的天线；
所述解码芯片（16）包括平衡不平衡转换器（30）、射频接收器（31）、射频发送器（32）、中央处理器（33）、处理器（34）、总线（35）、串行外设接口（36）、通用异步收发传输器（37）、外部音频接口（38）、内部闪存（39）、时钟发生器（40）、频率合成器（41）；其中处理器（34）包括存储管理单元、随机存储器、数字信号处理器、中断控制器、精简指令控制器、可编程输入输出口；平衡不平衡转换器（30）与射频接收器（31）、射频发送器（32）相连，射频接收器（31）、射频发送器（32）均再分别与中央处理器（33）、频率合成器（41）连接，中央处理器（33）、内部闪存（39）分别与处理器（34）内的存储管理单元连接，处理器（34）内的数字信号处理器、精简指令控制器分别与时钟发生器（40）连接，处理器（34）通过总线（35）与串行外设接口（36）、通用异步收发传输器（37）、外部音频接口（38）相连接，其中外部音频接口（38）与数字信号通过脉冲编码调制和数字音频接口（27）两个接口相连接。
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