隨著科學技術的發展和人們生活水平的不斷提高，我們對生活的安全、舒適、便捷等各方面的要求也越來越高[2]。針對盲人的生理缺陷，研究了一款幫助盲人尋找所需物品的移動機器人，它以UP-MAGIC2410為主控芯片，嵌入式Linux為操作系統，并采用多線程的方式集成了射頻識別模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊和語音聲控模塊。通過RFID模塊對物品進行辨識確定所尋物體的位置并且進行定位，直流電機和驅動器完成對機器人的移動控制，而超聲波模塊實現避障功能[3]。盲人可以通過語音來對機器人進行尋物控制，在語音命令的指示下機器人將獨立完成一次尋物過程，并會在找到的物體處給出語音提示。基于RFID的助盲尋物機器人是結合了RFID技術、語音聲控技術、傳感技術等的融合體，它給盲人的生活帶了極大的便利[4]。
1、功能描述
基于RFID助盲尋物機器人，是幫助盲人尋找物品的電子產品，它可以方便盲人尋找所需物品，避免盲人因找物而帶來的麻煩,并可以通過語音命令對機器人進行控制，同時機器人也會給出語音提示，讓盲人能享受現代科技生活的便捷。
本系統主要包括以下幾個功能模塊：
1)智能檢測模塊：
◆RFID讀寫器：檢測室內的帶有RFID標簽的物品，確定其物品方位后通過語音提示給盲人。
◆溫濕度傳感器：檢測室內的溫度和濕度，通過語音提示給盲人。
◆煙霧濃度探測器：自動檢測煙霧及溫度，當煙霧濃度大于一定的范圍的時候，進行語音提示。
2)手動控制模塊：
◆Zigbee模塊：在手動控制模塊與中控模塊之間進行無線傳輸指令和數據。
◆按鍵控制：直接通過手持終端上的按鍵來發出控制指令。
◆SPCE061A語音模塊：識別盲人發出的語音指令來控制機器人，語音控制機器人使得整個系統操作簡單實用更加人性化。
3)中控模塊：
◆中控模塊采用北京博創公司的UP-MAGIC2410開發板，它集成了助盲語音尋物機器人的所有子系統，接口豐富，功能強大，是機器人的總控制器。通過手持終端的Zigbee無線通訊，控制機器人的開啟、溫濕度檢測、煙霧濃度檢測和語音尋物的功能。
硬件系統框圖如下圖1。
2、項目總體設計
根據助盲尋物機器人的功能與技術要求的實際情況，采用“硬件+軟件”的系統結構來設計機器人[5]，各部分簡要介紹如下：
系統選用基于采用UP-MAGIC2410的硬件開發平臺。嵌入式操作系統選用Linux2.6.24，可以很好的滿足用戶的需求，而且用戶可以對Linux系統進行剪裁或定制。
SQLit3數據庫支持大多數的SQL指令，使用方便，一個文件就是一個數據庫，不需要安裝數據庫服務器軟件，減小了系統空間的使用量。不僅有完整的Unicode標準支持，而且它還具有速度快的特點，可以減少系統查詢所消耗的時間。
系統的開發環境如下：
1)硬件環境：UP-MAGIC2410硬件開發平臺、SPCE061A語音模塊、Zigbee無線傳輸模塊、超聲波模塊、RFID模塊；
2)軟件環境：Linux2.6+SQLite3
3、應用的技術分析
3.1 Zigbee簡介
ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術的名稱。
ZigBee技術的特點：
1)功耗低：工作模式下，ZigBee傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式。2)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制。3)網絡容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。4)兼容性：ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。
5)安全性：Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。
CC2430是一顆真正的系統芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用對低成本，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧的8051控制器。
3.2 RFID簡介
RFID模塊采用RMU900+讀寫器。RMU900+模塊是超小型化超高頻讀寫器核心部件,它集成了PLL、發射、接收、射頻耦合器件及MCU等。其主要工作頻率為840-960MHz，同時支持EPCC1GEN2、ISO18000-6C兩個協議，可工作在+3.3V的低電壓下，zui大輸出功率可達到27dBm，并且可以通過UART、WIEGAND連接上位機。RMU900+模塊還提供完整的通訊協議，可用于上位機為Linux操作系統的應用。
3.3 UP-MAGIC2410簡介
本次項目的設計使用的硬件平臺是由北京博創興業科技有限公司開發的UP-MAGIC2410實驗平臺。S3C2410微處理器的ARM9高性能的開發平臺，主頻200MHz，100MHz總線頻率。采用zui小系統核心板加擴展板的雙層構架，標配32MSDRAM和64MNANDFLASH。提供LINUX2.4/2.6操作系統，并且提供了完整的驅動和應用程序。
UP-MAGIC2410是專門為對成本和功耗非常敏感同時性能要求又相當高的應用而設計的。憑借代碼大小和中斷延遲的優化、集成的系統部件、靈活的配置、簡單的語言編程和強大的軟件系統，UP-MAGIC2410將成為廣大系統(從復雜片上系統到低端的微控制器)的理想解決方案。
部分模塊的詳細設計：
3.4語音控制模塊
語音控制模塊主要是通zigbee的無線傳輸來控制助盲機器人尋找物體。SPCE061A是中國臺灣凌陽公司出的一款單片機，它的CPU內核采用凌陽推出μ’nSP?s21(Micro controller and Signal Processor)16位微處理器芯片。圍繞μ’nSP?s21所形成的16位μ’nSP?s21系列單片機采用的是模塊式集成結構，它以μ’nSP?s21內核為中心集成不同規模的ROM、RAM和功能豐富的各種外設接口部件；由于具有語音處理的特色，即便是不掛接額外的硬件，也能制作語音通訊產品[6]。
3.5超聲波模塊設計圖如下
超聲波是指頻率超過20KHz以上的聲音。理論上，聲音在25℃空氣中傳播速度的理論值為344m/s，這個速度在0℃時降為334m/s。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。而超聲波測距是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C*T(1)。
式(1)中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發射到接收時間數值的一半)。
發射部分用來對超聲波換能器進行功率驅動，將由單片機產生的40KHZ脈沖信號送入發射輸入端，經過驅動放大達到足夠功率之后，推動超聲波換能器產生超聲波。之所以使用40KHz的脈沖信號是因為實際的需要α=αf2式中α為衰減，α為介質常數(空氣中α=2×10-13S2/cm)，f位震蕩頻率。由上面的公示可知，當f=40KHz時，α=3.2×10-4/cm，1/a=31m。如果f=30KMz，1/a=56cm。用波動方程表示超聲波A=A0e-axcos(wt+kx)，那么(1/a)表示了在這個長度上，平面聲波的振幅衰減為原來e分之一。由此可見，頻率越高，衰減越厲害，傳播的距離越短。
接收部分主要由接收換能器和放大電路等環節組成。其中放大電路是一個放大倍數較高的三級運算放大器，是將從目標處反射回來的微弱信號進行放大整形后送入計數控制電路部分。由于在距離較遠時聲波的回波信號很小，因而轉換為電信號的幅度也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右[7]。因為共射放大適合用于小信號放大，所以采用三級共射放大：前兩級放大100倍，其帶寬為15MHz能充分滿足要求；第三級采用運算放大器，帶寬為4MHz。
部分代碼如下：
voidinit0int()interrupt0
{uinttimer_us=0；
TR0=0；//關閉定時器0
timer_us=TH0*256+TL0；
if(timer_us>190)timer_us=timer_us-180；//修正測距的距離
if(timer_us<=735)
{timer_us=timer_us-96}//二次修正
length=((unsignedlong)(329)*timer_us)/2000；//計算長度,是擴大1000倍
flag=0；
EA=0；}//禁止所有中斷
3.6驅動模塊的設計
驅動程序是連接硬件設備和設備文件的紐帶，是操作系統內核和硬件設備之間的接口。
采用嵌入式Linxu系統，其驅動程序主要有兩種加載方式：直接編譯入內核和模塊加載[8]。其中，采用直接編譯進內核方式，在內核啟動時就已經存在。而采用模塊化加載方式，需要時動態的加載入內即可，這樣使得程序按需加載，節省了內存，也相對靈活[9]。
模塊化加載的的方式如下：
1)在Linxu內核目錄下，執行“makemenuconfig”指令，彈出Linux內核的配置菜單。
2)針對本課題選用的PL2303芯片的串口轉USB設備，在配置菜單中選擇響應的驅動模塊，具體如下：
USBsupport-->
USB Serial Converter Support-->
USB Serial Converter Support
USB Prolific 2303 Single Port Serial Driver
3)退出配置菜單，并執行“make modules”指令編譯驅動模塊。也可以只編譯內目錄下的驅動模塊，即通過執行“make mod?ules SUBDIRS=drivers/usb/serial”指令只編譯內核源代碼中drivers/usb/serial目錄下的驅動模塊。
4)執行完上述指令后，會在drivers/usb/serial目錄下生成驅動模塊usbserial.ko和pl2303.ko。
5)將usb serial.ko和pl2303.ko下載到開發平臺上，并執行“insmodusb serial.ko”和“insmodpl 2303.ko”兩條指令。當然由于pl 2303.ko是依賴于usb serial.ko的，所以上述指令的執行順序是不能改變的。
6)zui后，通過mknod建立響應的設備文件結點，即執行“mknod/dev/tty USB 0c1880”即可，而指令中的/dev/tty USB0代表文件節點的名車；“c”代表驅動程序的類型，為字符驅動；而188和0分別代表該串口轉USB設備的主次設備號[10]。
3.7系統的工作流程如下
通過對SPCE061A語音模塊進行語音命令預存儲操作，并將訓練的命令存儲在flash中，在下次啟動時先判定是否已經存儲，如果存儲，就直接將命令進行加載。否則對其訓練。
在語音訓練完成時，再和中控進行串口通信。但接受到一條命令時，語音模塊就通過串口像中控平臺發送一個對應的命令符。
中控平臺找到物體后，語音模塊可以通過串口中斷接受中控平臺發來的命令，并給予語音提示。
預先對RFID記錄標簽信息。RFID啟動時，先開啟USB接口，等待中控平臺傳送指令，在通過指令找到相應標簽信息，然后開啟標簽查找功能。
機器人在中控平臺的指令下啟動，并根據中控平臺中尋徑算法控制其移動避障。并在每一次移動的同時發送超聲波所反饋的信息。
超聲波先設定好其探測長度(設定頻率)，當電機驅動開啟后，超聲波通過單片機GPIO口控制也隨之開啟，隨著機器人的每一次移動，將前方信息反饋給單片機。再由單片機通過串口傳送給中控平臺。
先存儲語音和RFID標簽信息的數據庫，再創建語音控制，RFID通信，和算法的線程，機器人的調控接口作為參數設置在算法線程中，由算法來給電機驅動提供指令。
4、仿真及總結
基于RFID助盲語音尋物機器人完成實現之后，我們對它進行了測試，當我們在室內點燃物品產生煙霧時，機器人自動會通過語音提示來告訴盲人室內的煙霧濃度過高，同時還可以檢測室內的溫濕度狀況；當通過語音發出尋物指令時，機器人就開始移動尋找物品，如果有障礙物遮擋時它會自動及時進行避障，不至于撞到周圍物體，直到機器人移動到RFID模塊掃描到所要找的物品時，它會停止移動并且通過語音提示來告訴盲人物品已找到。整個測試結果基本達到了預期的效果，但是機器人移動起來所走的路線由于受到路面等環境因素稍微有點偏差，以致zui后離找到的物品發生位置上的偏差。
這款助盲語音尋物機器人所定位的服務對象是我國的廣大的盲人群體，切實的幫助盲人解決生活上尋找物體的不便，為他們帶來物聯網時代下高科技的生活體驗[11]。利用RFID定位導航，是依賴其較高的度，且便于控制[12]。根據RFID技術檢測到目標物的位置[13]，利用超聲波探測技術結合貪心算法進行局部路徑規劃[14]，在保證規劃任務順利完成的同時，也保證了路徑規劃的收斂性，并且具有較好的環境適應能力[15]。在探測路面狀況方面，是利用超聲波來進行實時探測。超聲波不僅可以設置探測定長，而且探測距離遠。采用Zigbee無線傳輸語音命令控制機器人，實現人機互動的趣味和便利。
隨著對移動機器人技術的深入研究，以及機器人在工業和日常生活中的逐漸普及，采用RFID技術的移動機器人研究的顯得越來越為人們所關注，其也必將為人們的生活、生產帶了極大的便利。
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