CN202061036U - 物联网环境下的盲人导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种物联网环境下的盲人导航系统，其包括手持式终端、盲人手杖和RFID标签，所述RFID标签埋设与盲道上，所述盲人手杖通过RFID射频识别模块读取盲道上的RFID标签的信息；所述盲人手杖与所述手持式终端通过无线传输模块建立连接，用于将标签信息传递给盲人手持式终端进行处理后给出导航指示。采用本实用新型可有效的为盲人提供安全可靠的路径导航服务。

Description

物联网环境下的盲人导航系统

技术领域

本实用新型涉及一种盲人导航系统，尤其涉及的是一种物联网环境下的基于RFID的手持式盲人导航系统。 

背景技术

中国是世界盲人最多的国家,目前约有500万盲人，占全世界盲人总数的18％，低视力者600多万。出行一直是困扰盲人的问题，尤其是去距离稍微远一些的地方，通常都会感到力不从心。 

目前盲人出行主要依靠盲道、手杖。已经面世的盲人导航系统大多基于超声波识别系统，现有的超声波导盲产品往往只能够判别出前方是否有障碍以及障碍的距离，而这些并不能够给盲人带来实质性的帮助。而现有的基于GPS全球定位系统的盲人导航系统，则存在一个精度的问题，其最多只能提供一个大概的地点，存在着很高危险性。 

因此，现有技术还有待于改进和发展。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种物联网环境下的盲人导航系统，旨在解决现有的盲人导航系统不能够准确、安全的为盲人导航的问题。 

本实用新型的技术方案如下： 

一种物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，包括手持式终端、盲人手杖和RFID标签，所述RFID标签埋设于盲道上，所述盲人手杖通过RFID射频识别模块读取盲道上的RFID标签的信息；所述盲人手杖与所述手持式终端通过无线传输模块建立连接，用于将标签信息传递给盲人手持式终端进行处理后给出导航指示。

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述手持式终端包括主控模块、单片机、键盘输入模块、语音提示模块和无线传输模块，所述单片机、语音提示模块和无线传输模块均连接至主控模块；所述键盘输入模块连接至单片机；所述主控模块中包括RFID导航模块，所述RFID导航模块用于根据RFID标签信息给出导航指示。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述手持式终端还包括手机功能模块，所述手机功能模块连接至主控模块。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述手持式终端还包括全球定位模块，所述全球定位模块连接至主控模块。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述手持式终端还包括显示模块，所述显示模块连接至主控模块。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述盲人手杖上还设置有无线键盘，所述手持式终端上设置有红外接收模块，所述无线键盘连接所述红外接收模块，所述红外接收模块连接单片机。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述盲人手杖上还设置有用于发射超声波探测路况的超声波模块和用于识别常见的路况信息的智能路况识别模块，所述智能路况识别模块连接至所述超声波模块。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述超声波模块包括3个发射传感器和3个接收传感器。 

所述的物联网环境下的盲人导航系统，其中，所述无线传输模块为Zigbee无线通讯模块。 

本实用新型的有益效果：本实用新型通过采用先进的RFID射频识别技术，并在盲道上设置RFID电子标签，为盲人的出行进行全程精准导航。本系统不但能够对当前位置进行定位，生成最优路线实现导航，同时还具有对常见路况信息智能分析的功能，满足盲人的出行需求，且操作简单，只要懂得盲文都能独立的使用该系统的功能。本系统的反馈信息都是通过语音方式实现，清晰易懂，使盲人在行进的过程中也能收听到关于位置和周围环境情况的具体信息，为盲人出行带来方便。 

附图说明

图1是本实用新型提供的物联网环境下的盲人导航系统的系统框图； 

图2是本实用新型提供的椭圆算法中椭圆搜索区域和原来的搜索区域对比图；

图3是本实用新型提供的Zigbee接口查询流程图；

图4是本实用新型提供的键盘接口查询流程图；

图5是本实用新型提供的出行地图示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。 

如图1所示，所述系统包括盲人手持终端、盲人手杖和埋设于盲道上的RFID标签。其基本原理为盲人手杖读取盲道上的RFID标签，然后传递给盲人手持式终端进行处理。 

所述盲人手持式终端包括主控模块、单片机、键盘输入模块、语音提示模块、手机功能模块、无线传输模块、全球定位模块、显示模块。 

所述主控模块为PXA270处理器。其包括RFID导航模块，所述RFID导航模块通过读取到的当前RFID标签（盲人所在位置的盲道上的RFID标签）和用户输入的目的地，并通过查询相关数据库，生成RFID导航路径；并在盲人行进的过程中，不断匹配读取到的RFID标签，进而提供不同的行走提示，包括继续前行、交叉路口拐弯、红绿灯路口、经过某些标志性建筑、行走出错、到达目的地等提示。 

所述键盘输入模块设置有两种输入模式，第一种为盲文输入模式，该模式是具有我国国家标准规定的现行盲文的输入法，能实现盲文的输入，用于输入导航的目的地。第二种是手机号码输入模式，所述键盘输入模块还具有切换到手机号码输入的功能，能实现手机号码的简单输入，而无需以盲文的形式输入手机号码。还包括如键盘锁定，开始导航，输入模式切换、拨打电话、接听电话、收发短信等多个功能按钮的输入。 

所述语音提示模块用于三种模式，第一是导航提示，为RFID导航提供语音提示，包括输入目的地、读入起始标签、开始导航、叉道拐弯、标志性建筑、目的地等相关语音提示。第二手机提示，为盲人的号码输入和其他如拨打电话、来电等提供语言提示。第三路况提示，根据盲人手杖发送到终端上的分析结果，提供相应的路况语音提示。 

所述手机功能模块用于提供本系统拨打、接听电话的功能，还有一键拨号的功能。盲人可以将当前自己的经纬度数据发送给自己所要发送的人。同时，也可以通过语言的方式现实对信息的读取；即在盲人按下响应的功能键后，将盲人接到短信的号码和短信内容读给盲人听。所述手机功能模块包括GSM模块，用来实现手机的功能；GSM模块采用西门子 TC35 系列的 TC35i。向用户提供标准的 AT 命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。通过RS232与ARM板连接，该接口读取或发送 TC35i 模块中的数据。 

所述无线传输模块为手持终端和盲人手杖提供数据的交互。例如利用Zigbee无线通讯和无线键盘的输入。所述全球定位模块用于为盲人的当前位置进行定位，防止盲人外出走失。可以通过全球定位，让亲人知道其大概位置，方便寻找，其分辨率约为5m。所述全球定位模块为GPS模块。所述显示模块，用于显示相应的数据的，方便盲人向别人求助；本系统提供的手持式终端还包括USB接口和串行接口，用来扩展其他额外的模块。 

另外，本系统还包括集成了RFID射频识别模块、超声波模块和智能路况识别模块的盲人手杖。所述超声波模块用于发射超声波采样路况信息，实现对盲人前方1m距离的路况采样；其处理芯片为80C51处理器，用来集成盲人手杖上的超声波，本系统的超声波模块由多个安装在不同位置的发射和接受传感器组成。本实施例中所述超声波模块由3个发射传感器和3个接受传感器构成；所述RFID射频识别模块，用来读取盲道上的电子标签；所述智能路况识别模块用来识别常见的路况信息，通过多个超声波对不同方向的环境进行采样分析，以完成几种常见路况的识别，如前方有不可绕行障碍物、前方有可绕行障碍物、前方左边有障碍物、前方右边有障碍物等。该功能模块会将分析后的结果传输给所述盲人手持式终端，手持终端再完成相应的处理，作出提示。所述智能路况识别模块连接所述超声波模块。 

所述盲人手杖上还设置有无线键盘，所述手持式终端上设置有红外接收模块，所述无线键盘连接所述红外接收模块，所述红外接收模块连接单片机。 

手杖通过Zigbee技术与主控模块进行通讯，Zigbee无线通讯模块支持信号的发送与接收，用来传输盲杖到手持终端的数据信息； 

系统会根据盲人当前的位置和目的地生成一条最为合理的路线，而RFID射频识别模块读取到盲道上的电子标签后，传输给主控模块处理，并得到响应位置的行走提示信息，以语音提示的方式对盲人行走进行全程高精度导航，同时纠正行走错误；超声波模块利用超声波测距原理，对多个超声波模块的采样进行分析，完成了对几种常见路况的识别。

本系统提供的软件为采用嵌入式linux的操作系统。所述linux操作系统采用linux2.6.9内核。 

所述操作系统的驱动程序包括串口、NOR Flash、AC’97、LCD、USB HOST、USB DEVICE、USB SERIAL等多种驱动。另外，还支持串口接口扩展，支持串口转USB，支持SQLite数据库读写，支持Mplayer播放音频等。 

实时性是盲人导航系统的安全性的保障，所述SQLite数据库是一个小型的嵌入式数据库，实现了独立的，可嵌入的，零配置的SQL数库引擎。在嵌入式设备中，只需要500K的空间就可以进行使用。数据处理速度快。 

考虑到数据库的大小和实际道路的方向性，地图的网状结构可以用一个带权的有向图的结构来表示，为了避免过多的数据存储和处理，将道路的RFID标签码设为连续的，即同一条道路中，除路口节点RFID标签外的其他RFID标签码是按道路的方向递增的，通过该方法，对于一条道路只需要存储四个点，即道路的路口起点、道路的第二个点、道路的倒数第二个点和道路的路口终点就可以知道整条道路的RFID标签码顺序的信息，再给道路加上权值后即可完成道路信息表的设计。 

通过该方法，可以较好的体现网络中各条道路之间的关系，同时避免了大量不必要的处理和运算，满足了盲人的使用需求。下表表示道路信息表结构，其实质就是简化路网，将路网抽象成有向图。消除了大量的冗余数据。 

而节点RFID标签表主要是用来存储节点的经纬度数据，其目的是为了简化路径的搜索。此处不在赘述。节点RFID标签表结构入下表所示： 

盲人导航系统对盲人的提示信息存在RFID提示信息表中，该表的特点就是以三个标签作为主码，这样可以实现叉道拐弯的清楚提示，比如出现一个十字路口，而用户可能向行走、向左拐、向右拐三种情况，则可以根据当前读取到的RFID标签码和生成的RFID路径的中的前驱和后继RFID标签来查选该表，并得到相应语音提示信息的路存储径。同时该表还有一个作用是为了查找到输入目的地的RFID标签码。RFID提示信息表结构如下表所示：

本实用新型实施例提供的路径是结合多种算法生成，包括：Dijkstra算法、椭圆算法、权值的计算。其中，所述椭圆算法是根据运用统计学的方法，对1000条最短路径进行研究，得出了一个包含最短路径的搜索区域，该区域为一个椭圆，椭圆的焦点为起点O和重点D，参见图2。根据随机抽取的最短路径统计特征的分析和样本路径空间分布特征的观察，研究发现椭圆模型准确率高达99.8%，搜索规模和算法执行时间分别为原来的50%和16.6%。

在本系统中，由于考虑到椭圆算法对起点和终点距离较长时，有较高的效率，但是对于比较短的距离（即搜索规模比较小）时，椭圆算法往往是失效的，甚至可能导致起点和终点在椭圆区域里面不存在的联通的路径。所以在应用椭圆算法时，要对起点和重点的距离进行估算，当两点之间的值大于某个事先确定的阈值时，才应用该算法。而上述距离的确定，以及椭圆区域的确定都将需要用到经纬度的数据，而这就可以从“节点RFID标签表”中获取。 

现实中，最短的路径往往不是出行的首选，因为最短路径往往不是最合适的路径，所以单纯的从路径长度来考虑显然不行。要从多个方面来综合考虑。 

经过分析，我们觉得盲人出行时会遇到的几种道路情况，主要有5个因素，因素集为：U=（路面状况，公路等级，环境情况，道路繁忙程度，红绿灯情况），并对每种情况定义其重要性，因素集权重：B=（0.3，0.1，0.1，0.3，0.2）。其中，因素集的权重总和为1，即路面状况占考虑总比重的30%，公路等级占考虑总比重的10%，环境情况占考虑总比重的10%，道路繁忙程度占考虑总比重的30%，红绿灯情况占考虑总比重的20%。 

得到因素集后，采用百分制的方法，优=100、良=90、中=80、可=70、差=60，对于每条道路，分别对其5个因素进行评分，得到它的评分向量： 

C=（c1，c2，c3，c4，c5）

对每条道路进行评分计算，加权分数：

S=∑bici(i=1，2,…，n)

即评分结果为每条道路每个因素的权重乘上它的得分后的总和。最后道路的权值为：M=道路长度*（2-S/100）。

同时，还考虑到行走中出现拐弯的情况。盲人在行进的过程中，当然希望出现的拐弯越少越好，而在系统中的体现则是经过的节点越少越好。所以每出现一个节点，则该道路的总权值会加上固定的数值，以体现对少弯道路线的偏重。 

而本系统，采用了上述三种算法，同时三种算法均直接对数据库操作，减少了程序运行过程所产生的冗余数据，也避免了大量数据的提取。提高了系统本生的效率和性能。 

如图3所示为Zigbee接口查询流程图，   该程序用于接受Zigbee无线通讯模块传输来的数据。先判断数据是否为RFID标签码，是标签码则作为导航数据进行匹配处理。不是标签码，则为路况数据进行路况的智能识别，并作出相应的处理。如图4所示为键盘接口查询流程图，该程序用于接受键盘按键的信息，主要分为三类数据，分别为手机号码数据、功能按键编码数据以及盲文信息数据。 

本实用新型产品的工作原理为： 

在出行前，首先进行当前地理位置的确定，即读取到当前盲道上的RFID标签；接着通过盲人键盘输入目的地，并确认开始导航。系统会根据输入的信息查询相关数据库，结合多种算法，生成一条对盲人而言最合理的RFID导航路径。开始进行RFID导航，并在盲人行进的过程中，不断的匹配读取到的RFID标签，提供盲人行走的提示，包括继续前行、交叉路口拐弯、红绿灯路口、经过某些标志性建筑、行走出错、到达目的地等提示。

盲人手杖集成了RFID读写器（天线）、超声波模块和ZigBee无线传输。当盲人行走在该马路上时，能通过盲人手杖顶端的天线激活其经过的RFID电子标签，该RFID标签通过无线射频信号将其唯一的标签号码发回给读写器，再通过ZigBee无线传输将该信息发送到手持终端，并交付给手持终端进行处理。同时多个超声波采样实现对路况的智能识别，比如前方出现了可绕行的障碍物，则提示语音相关“前方有可绕行的障碍物”。 

例如，如图5所示，用户要从标签码为39的位置出发到排球场（标签码为45），系统生成的路径为（39，57，43，44，45）；手持式终端的提示信息如下：“请您开始前行（标签码为39）”、“请您左拐（标签码为57）”、“请您继续前行（标签码为43）”、“您正经过学生二饭堂南门（标签码为44）”、“您的目的地排球场到了（标签45）”。如果在行走过程中出现错误，如标签码为57的位置，系统提示左拐，而盲人忘记左拐了，仍然继续前行，到标签码为49的位置时，手持式终端会提示“请您返回，按系统提示行走”。 

RFID标签以其耐用、持久、免维护著称。本产品可以在不同的环境下为盲人导航，解决众多盲人出行的问题；也可以衍生为其他的商业应用，比如为旅行者提供全世界各大城市的虚拟声音导游。 

另外，本系统的使用不局限于某个城市，只要在开通了盲人导航系统的城市，本实用新型提供的设备终端都可以使用。通过在每个城市中都设置一个设备服务器，所述设备服务器由运营商或者市交通管理局进行架设，服务器端的数据库存储了每个城市自己的交通地图标签。城区各道路的交通情况（断路、拥堵、缓慢、畅通）也定时在数据库内做更新。地图数据以及路况信息通过GPRS/3G方式，发送至本实用新型提供的设备终端。要求不同城市间的数据协议应相同，这样就能保证同一台设备终端可以在不同的城市间使用，实现“漫游”。 

设备终端与服务器之间的通信方式可分为主动请求与被动请求两种方式。主动请求方式指设备终端向服务器端发送请求，服务器端回应数据到设备终端。如用户查询某条道路的交通状况。被动请求方式指服务器直接发送数据到设备端，如地图标签的下载更新操作。 

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。 

Claims (10)

1.一种物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，包括手持式终端、盲人手杖和RFID标签，所述RFID标签埋设与盲道上，所述盲人手杖通过RFID射频识别模块读取盲道上的RFID标签的信息；所述盲人手杖与所述手持式终端通过无线传输模块建立连接，用于将标签信息传递给盲人手持式终端进行处理后给出导航指示。

2.根据权利要求1所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述手持式终端包括主控模块、单片机、键盘输入模块、语音提示模块和无线传输模块，所述单片机、语音提示模块和无线传输模块均连接至主控模块；所述键盘输入模块连接至单片机；所述主控模块中包括RFID导航模块，所述RFID导航模块用于根据RFID标签信息给出导航指示。

3.根据权利要求2所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述手持式终端还包括手机功能模块，所述手机功能模块连接至主控模块。

4.根据权利要求2所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述手持式终端还包括全球定位模块，所述全球定位模块连接至主控模块。

5.根据权利要求2所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述手持式终端还包括显示模块，所述显示模块连接至主控模块。

6.根据权利要求2所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述盲人手杖上还设置有无线键盘，所述手持式终端上设置有红外接收模块，所述无线键盘连接所述红外接收模块，所述红外接收模块连接单片机。

7.根据权利要求1所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述盲人手杖上还设置有用于发射超声波探测路况的超声波模块和用于识别常见的路况信息的智能路况识别模块，所述智能路况识别模块连接至所述超声波模块。

8.根据权利要求7所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述超声波模块包括3个发射传感器和3个接受传感器。

9.根据权利要求1所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述无线传输模块为Zigbee无线通讯模块。

10.根据权利要求1所述的物联网环境下的盲人导航系统，其特征在于，所述系统还包括一嵌入式数据库。 

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