基本信息
- 項目名稱：
- 基于ZigBee無線網(wǎng)絡的盲人導航系統(tǒng)
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 該作品使用基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)定位導航功能，通過用戶終端的鍵盤、語音振動提示模塊來實現(xiàn)對盲人等用戶的導航功能。同時，該作品通過實時監(jiān)控路口的交通燈確保盲人用戶過馬路時的安全。在整個導航過程中，用戶只需在最初輸入目的地即可，不需要其他額外的操作，直到抵達目的地。該系統(tǒng)具有良好的擴展性與市場應用前景，可以靈活廣泛的應用于各類需要導航功能的場景，如臨時戶外活動、大型室內展館、超市、智能小區(qū)、城鎮(zhèn)導游系統(tǒng)等等。
- 詳細介紹：
- 在我們的作品中，能夠輕松的實現(xiàn)盲人在網(wǎng)絡覆蓋范圍內的無障礙行進。在系統(tǒng)工作過程中，盲人用戶只需要正確地通過鍵盤輸入其目的地，并處于任意子網(wǎng)絡的覆蓋范圍內或行進至最近的道路子網(wǎng)覆蓋區(qū)域，就可以實現(xiàn)從當前位置到所輸入目的地的全程輔助導航，期間，不需要盲人用戶再做任何額外的操作。在導航的過程中，我們通過語音提示與振動提示兩種提示方式給予盲人用戶必要的行進信息如轉向提示等等。完全實現(xiàn)了盲人獨立無障礙出行這一目的，能夠很好的解決這一社會問題。同時，該系統(tǒng)具有良好的擴展性能，能夠很容易的擴展更加豐富的應用功能，并應用在其他的場合。 鑒于ZigBee技術的區(qū)域覆蓋特性，我們所設計的盲人導航系統(tǒng)由盲人用戶終端和多個城市路口網(wǎng)絡組成。其中各個路口區(qū)域覆蓋子網(wǎng)相互獨立。用戶在行進過程中根據(jù)所在區(qū)域的網(wǎng)絡覆蓋情況實時的加入和離開所在路口網(wǎng)絡。 換句話說，用戶并不是全程處于網(wǎng)絡覆蓋范圍內。這樣的設計主要是兼顧實際應用場景與成本，由于盲人等需要導航幫助的用戶在直道是基本能夠獨立行走，因此只需在各個交通路口給予其相應的導航協(xié)助即可。這樣做可以大大節(jié)約系統(tǒng)成本，同時便于靈活部署網(wǎng)絡，同時，小網(wǎng)之間獨立工作也能夠提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性（當然如果成本允許可以實現(xiàn)全程全網(wǎng)覆蓋以實現(xiàn)更加完備穩(wěn)定的定位導航功能）。 因此我們采用多子網(wǎng)的系統(tǒng)形式，當用戶靠近路口時自動加入該路口的網(wǎng)絡，每個路口網(wǎng)絡存儲著對應各個路口的不同的道路信息。在每個路口網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調器根據(jù)不同用戶的目的地信息，及網(wǎng)絡路口信息就能夠算出導航路徑并實時監(jiān)測用戶位置以實現(xiàn)實時導航功能。 我們將整個系統(tǒng)分為兩部分，分別是用戶端模塊與路口網(wǎng)絡模組。兩種模塊同時適用TI 公司的CC2430/31 SoC解決方案。 在實際的網(wǎng)絡部署中，根據(jù)每個路口的大小、路況復雜度、人流量等因素選擇性的確定參考點個數(shù)（4～16），并根據(jù)實地無線信道模型合理安排節(jié)點放置位置，以實現(xiàn)最優(yōu)的網(wǎng)絡性能與定位精度，并保證系統(tǒng)能提供的網(wǎng)絡信息帶寬。 在我們的作品中，協(xié)議棧的物理層及MAC層以IEEE 802.15.4標準為基礎，網(wǎng)絡層及應用層以ZigBee2004協(xié)議規(guī)范為參照，并在其上做了大量精簡，保留了基本網(wǎng)絡功能與應用層功能。同時根據(jù)實際應用優(yōu)化了網(wǎng)絡拓撲結構，實現(xiàn)運行效率與性能的最大化平衡。定位方面通過多點通信測量RSSI及硬件定位引擎實現(xiàn)。 導航方面我們采用類似Internet的路由機制，將路口位置抽象出各個相對區(qū)域標號，在通過半固定路由算法進行路徑運算。同時再此基礎上，通過各個區(qū)域的相對位置算出相應的導航提示信息。結合定位功能即可實現(xiàn)實時的基于用戶位置的導航功能。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 盲人作為一個特殊的社會群體，需要人們給予更多的關注和關懷。在實際生活中，盲人最大的困擾是出行，如果能夠很好的解決盲人的出行問題，將極大地促進其融入社會生活。因此我們開發(fā)了該作品。在我們的作品中，考慮到民用GPS等定位技術的定位精度一般在10m左右，不能保證用戶在道路上的安全，因此我們使用ZigBee無線技術，通過區(qū)域組網(wǎng)，RSSI輔助定位，實現(xiàn)定位功能，并在此基礎上附加導航算法實現(xiàn)用戶的出行導航。其中，用戶端用戶通過鍵盤輸入目的地，在系統(tǒng)運行過程中通過語音提示與振動提示給盲人用戶以最直觀的導航信息。 作品創(chuàng)新性的使用了新興的ZigBee無線網(wǎng)絡技術，并通過RSSI實現(xiàn)定位功能，能夠把定位精度控制在1m左右，保證用戶在道路上的安全。同時，ZigBee技術的大網(wǎng)絡容量特性與數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)具有很好的擴展性。系統(tǒng)在運行過程中還能實時地監(jiān)控交通等的情況，確保用戶過馬路的人身安全。最后，終端模塊性能可靠、價格便宜，每個模塊不到200元，各個網(wǎng)絡節(jié)點不到100元，便于推廣應用。 該系統(tǒng)的技術關鍵主要是ZigBee網(wǎng)絡的部署設置與用戶定位導航算法的開發(fā)優(yōu)化。協(xié)議棧部分我們在MAC層和網(wǎng)絡層做了大量優(yōu)化精簡以保證系統(tǒng)效率，在應用層加入功能模塊實現(xiàn)上層功能；導航算法部分我們采用類路由算法，將方位虛擬化以提高運行效率。 技術指標如下： 網(wǎng)絡覆蓋半徑：30m 網(wǎng)絡數(shù)據(jù)速率：〉100kbps 定位精度：1~3m 系統(tǒng)用戶容量：〉2 導航提示延時：〈0.5s
科學性、先進性
- 相比于目前廣泛使用的GPS定位系統(tǒng)，采用ZigBee技術進行區(qū)域定位具有定位精度高，系統(tǒng)成本低，系統(tǒng)功耗低，集成度高，響應速度快，部署靈活，應用范圍廣，抗干擾能力強等優(yōu)點，可以很好的滿足我們的需求。 相比基于RFID的導航系統(tǒng)，雖然精度上有略有不足，但其系統(tǒng)成本極高，系統(tǒng)靈活性差，不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。并且其普適性差，不適合大規(guī)模推廣應用。 相比于上述技術采用ZigBee技術另一個很大優(yōu)點就是在實現(xiàn)定位導航功能的同時，還能夠保證相對高效的數(shù)據(jù)通信功能。這樣，在實現(xiàn)定位功能的同時，還能夠添加信息業(yè)務，比如作為用戶出行的信息平臺等。這樣，能夠極大的擴展其應用范圍，移植到其他的應用場景之中。 我們的系統(tǒng)中還有一個極大的優(yōu)點就是低功耗。首先，ZigBee模塊本身功耗較低，且有休眠模式，即使廣泛布網(wǎng)，仍能夠很好的滿足低維護營成本。其次，用戶模塊可能夠在非網(wǎng)絡覆蓋區(qū)進入休眠模式，極大的延長了終端的使用時間，更增強了其便攜特性。
獲獎情況及鑒定結果
- 第五屆“挑戰(zhàn)杯”首都大學生課外學術科技作品競賽一等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 暫無
作品可展示的形式
- 實物、圖片、錄像、現(xiàn)場部分功能演示
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 作品使用時只需由用戶通過鍵盤輸入目的地即可，當用戶進入任意路口網(wǎng)絡后系統(tǒng)就能全程完成導航功能，其間無需用戶再進行額外操作，方便簡單。 系統(tǒng)方便部署、功能擴展性強；終端通過語音提示、人性化可靠性高；系統(tǒng)功耗低、算法效率高；網(wǎng)絡容量大、性能穩(wěn)定；定位精度高；模塊體積小、重量輕、成本低；系統(tǒng)可移植性強、上層應用改造便捷。 作品能夠很好的適用于盲人導航系統(tǒng)、老人兒童出行輔助系統(tǒng)、室內場館導游信息平臺、智能小區(qū)系統(tǒng)、城市便攜導游系統(tǒng)、災區(qū)應急通信系統(tǒng)等各類室內外應用場合。 作品具有很好的推廣前景，符合構建和諧社會的理念，促進盲人融入社會。各模塊集成度高、成本低廉，易于大規(guī)模部署推廣。 目前，我國的無障礙化建設還處在起步階段，各類相關基礎設施建設剛起步，尤其是針對殘疾人出行方面的保障建設更是沒有好的解決方案，因此，該作品具有很好的開發(fā)前景。同時，該作品還具有很好的功能擴展性，能夠很好的應用于各類場合，具有很好的市場經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前該問題世界上已有不少國家提出了一些解決方案，但都不能很好的對盲人出行提供有效的導航幫助。具體的一些研究成果如下： ? 美國佐治亞理工學院的布魯斯?沃克等人新開發(fā)出一種為盲人導航的便攜裝置，它可以直接向盲人內耳傳送柔和的低音，幫助盲人在城市中行走。該裝置使用一個放在背包里的處理器，將全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的定位數(shù)據(jù)和來自使用者頭盔上照相機、傳感器的數(shù)據(jù)加以綜合處理，以確定使用者該朝哪個方向走才能到達想去的目的地。這一裝置然后發(fā)出一系列的“嘟嘟”聲響，為使用者指路。但是，該裝置仍有很大的缺點，首先，使用GPS定位精度很低（軍工除外），難以保證盲人正確走在人行道上。其次，無法監(jiān)控交通燈的情況，難以保證其安全的通過路口。而且GPS系統(tǒng)耗電量大，不便于盲人的遠距離出行。 ? 歐盟資助了一項研究計劃，旨在為盲人開發(fā)基于RFID的道路指示，屬于SESAMONET計劃的一部分。目前一個10人的專家組正在測試意大利的三條試驗道路。盲人在行走時，需要使用特殊設計的導盲杖。導盲杖中嵌入RFID識讀器，可以識別道路上埋設的RFID標簽。標簽上的標識信息通過無線連接傳輸?shù)娇诖械拿阅阌嬎銠C，計算機可以計算行人的位置。行路幫助信息轉換為聲音符號，盲人可以通過耳機聽到這些聲音。通過聲音的幫助，可以保證盲人一直處于道路的中央行走。該方案仍有不少缺點。首先，道路改造工程量大，必須對所有道路進行重新鋪設，且整體功耗高。其次，盲人需要攜帶專門的計算機進行定位操作，不便于設備小型化。再次，必須建立一個完善的城市網(wǎng)絡，不便于管理與系統(tǒng)升級。 ? 目前還有一種利用超聲波回聲原理制作的盲人導航裝置，是由盲人眼鏡、檢測箱和左、右耳機組成，其特征在于在盲人眼鏡上設有超聲波接受傳感器和超聲波發(fā)射傳感器，超聲波接受傳感器和超聲波發(fā)射傳感器連接在檢測箱的檢測電路中；檢測電路包括一個用于接受外界超聲波信號，并將該信號經(jīng)過運算和放大輸出到左右耳機的信號接受發(fā)送電路和一個用于發(fā)射對比信號并調整頻率的
