Зотов Ф.А.
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ МОДУЛЬ ВИБРОЖИЛЕТА ДЛЯ ЛЮДЕЙ СО СНИЖЕННОЙ ОСТРОТОЙ ЗРЕНИЯ *
Аннотация:
разработан микропроцессорный модуль виброжилета для людей со сниженной остротой зрения. Приведены результаты выбора компонентов, разработки схем (структурной, принципиальной), элементов конструкции и встроенного ПО. Проведен обзор аналогов и обоснована экономическая целесообразность.
Ключевые слова:
микропроцессорный модуль, виброжилет, слабовидящие, тифлотехника, датчики расстояния, носимое устройство, пространственная ориентация
Введение.Зрение является одним из самых важных чувств для человека, поскольку оно позволяет воспринимать окружающий мир, общаться с другими людьми, вести самостоятельный образ жизни. Однако многие люди страдают от различных нарушений зрения, которые снижают качество жизни и ограничивают их возможности. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в мире насчитывается около 39 миллионов слепых людей и 246 миллионов человек со средней и сильной потерей зрения [1].Большинство людей со сниженной остротой зрения испытывают трудности в ориентировании в пространстве, передвижении, обучении, работе, досуге и социальном взаимодействии. Слепые и слабовидящие люди нуждаются в помощи окружающих, специальных средствах, методах и технологиях, которые могут помочь им компенсировать отсутствие или снижение зрения и обеспечить их социальную интеграцию. По данным ВОЗ, 80 % слепых ходят в незнакомые места только с сопровождающими, так как испытывают, в частности, психологический дискомфорт [1].В настоящее время существует множество современных тифлотехнических устройств, методик и технологий, ориентированных на организацию всесторонней социальной адаптации людей со сниженной остротой зрения. К ним относятся, например, речевые синтезаторы, брайлевские дисплеи и принтеры, электронные трости, маячки для ориентации в пространстве, умные помощники, портативные устройства для чтения, распознавания лиц, объектов и другие [2].Однако, несмотря на широкие возможности, эти устройства имеют свои ограничения. Трость для ходьбы требует от слабовидящего постоянно сканировать дорогу влево и вправо, что не только требует использования физической силы слепого человека, но и замедляет скорость продвижения, и может быть использована только в пределах фиксированного диапазона. Большинство современных устройств оснащены лишь одним датчиком расстояния, что сужает их способность к обнаружению препятствий вокруг пользователя. Полноценное функционирование многих из этих устройств предполагает наличие смартфона и доступа к интернету, условия, которые не всегда выполнимы для людей с нарушениями зрения. В дополнение, аксессуары вроде очков или шлемов подвержены риску потери, в отличие от одежды, которая является неотъемлемой частью пользователя.В условиях санкций и ограниченного доступа к зарубежным технологиям, разработка отечественного тифлотехнического устройства становится особенно важной. Создание импортозамещенного устройства не только обеспечит независимость от иностранных производителей, но и позволит учесть специфические потребности российских пользователей. В этом контексте, разработка микропроцессорного модуля виброжилета для людей со сниженной остротой зрения представляется особенно важной и актуальной задачей.Постановка задачи.Микропроцессорный модуль виброжилета для людей со сниженной остротой зрения – это электронное устройство, интегрированное в структуру жилета и предназначенное для обработки информации с разнообразных сенсоров, формирования управляющих сигналов для вибротактильных элементов и обеспечения многоканальной обратной связи с пользователем. Он должен выполнять функции сбора данных с ультразвуковых и лазерных дальномеров, камеры, GPS/ГЛОНАСС приемника и инерциального модуля (акселерометра и гироскопа), анализа полученной информации и выявления потенциальных препятствий на пути пользователя, формирования управляющих сигналов для вибромоторов, создающих тактильные оповещения различной интенсивности и локализации, генерации голосовых сообщений, предоставляющих пользователю дополнительную информацию об окружающей среде и рекомендации по навигации, обмена данными с внешними устройствами по беспроводным интерфейсам (Bluetooth, GSM).Конструкторский раздел. Структурная схема микропроцессорного модуля виброжилета для людей со сниженной остротой зрения представлена на рисунке 1.Для своевременного обнаружения препятствий в широком спектре используются ультразвуковые датчики расстояния (УД1 - УД4) в которые входит излучатель (ИИУ) и приемник ультразвукового сигнала (ПУС), расположенные на каждой стороне жилета. Они сканируют окружающее пространство, измеряя расстояние до препятствий посредством излучения и регистрации отраженных ультразвуковых волн. Лазерный датчик расстояния (ЛД), в который входит приемник (ПИС) и излучатель инфракрасного сигнала (ИИС) сканирует пространство, формируя карту глубины в формате 8x8 зон, что позволяет не только обнаруживать препятствия, но и получать представление об их форме и размере.Рисунок 1. Структурная схема микропроцессорного модулявиброжилета для людей со сниженной остротой зрения.Акселерометр и гироскоп (А/Г), в свою очередь, регистрируют ускорение по трем осям, предоставляя информацию о скорости движения пользователя и фиксируя падения. При резких изменениях положения тела, например, свидетельствующих о падении пользователя, устройство может отправить сигнал тревоги близким или экстренным службам через GSM модуль с помощью кнопочной панели (КП).Полученные от сенсоров данные поступают в микроконтроллер (МК). Микроконтроллер анализирует информацию, формируя соответствующие управляющие сигналы. Эти сигналы активируют вибромоторы (ВМ1 - ВМ4), подключенные через транзисторную сборку (ТС) и расположенные на поверхности жилета в разных зонах, создавая тактильную обратную связь. Интенсивность и частота вибрации, ощущаемой пользователем через кожные рецепторы, варьируются в зависимости от направления и удаленности препятствий, помогая корректировать маршрут.Также необходима система голосовой навигации, реализованная при помощи речевого модуля (РМ). Она озвучивает набор разнообразных голосовых сообщений, записанных в его память, которые воспроизводятся через динамик (Д). Для удобства прослушивания информации пользователь может подключить наушники через Bluetooth.Для обеспечения дополнительной безопасности и возможности получения помощи в сложных ситуациях, жилет оснащен камерой. В случае необходимости, например, дезориентации на местности или возникновения препятствия, которое сложно преодолеть самостоятельно, пользователь может активировать отправку фото по MMS на заранее заданный номер телефона из микросхемы памяти (МП).Световая индикация (СИ), состоящая из светодиодов на жилете, является визуальной индикацией статуса пользователя как человека с ограниченным зрением. Питание микропроцессорного модуля осуществляется от батареи типа "Крона" с номинальным напряжением 9 вольт. При снижении уровня заряда батареи до 20 % устройство издаст короткий звуковой сигнал, предупреждая пользователя о необходимости замены элемента питания.Описание фрагментов принципиальной схемы.Стабилизатор DA1 TPS76333DBVR [3] используется для преобразования напряжения 9 в 3,3 В для работы ультразвуковых датчиков расстояния и микроконтроллера, акселерометра/гироскопа и модуля камеры, вибромоторов и светодиодов, пленочной клавиатуры и голосового модуля. Микросхема LC2334 [4] (DA2) используется для формирования 4 В для работы модуля ПР503. Стабилизатор напряжения DA3 TPS76318DBVR [3] используется для преобразования напряжения 3 в 1,8 В для питания лазерного датчика расстояния. Схема подключения стабилизаторов напряжения изображена на рисунке 2.Рисунок 2. Схема включения стабилизаторов напряжения.Микросхема NXS0108 [5] это 8-канальный двунаправленный преобразователь уровня логики. Он используется для преобразования сигналов между двумя различными уровнями напряжения 1,8 и 3,3 В. Для хранения вычисленного значения пройденного маршрута и его записи используется микросхема памяти EEPROM 24AA256 [6], работающая от 3,3 В, и к микроконтроллеру по I2C. На рисунке 3 изображена схема подключения лазерного датчика расстояния VL53L8CX, преобразователя уровня логики NXS0108 и микросхемы памяти 24AA256.Рисунок 3. Схема подключения лазерного датчика расстояния,преобразователя уровня логики и микросхемы памяти.На рисунке 4 реализовано подключение многофункционального связного и навигационного модуля ПР503 к микроконтроллеру ATmega1280 [7]. Микроконтроллер ATmega1280 взаимодействует с ПР503 через два UART интерфейса: основной (выводы 33, 34) для обмена AT-командами и передачи данных GSM/GPRS, и GNSS_UART (выводы 22, 23) для управления GNSS модулем.Основное питание 4 В поступает на модуль ПР503 через выводы VBAT. Модуль ПР503 работает от напряжения 4 В, в то время как МК использует напряжение 3,3 В, для согласования уровней сигналов между ними используется микросхема NXS0108 [5]. Для обеспечения работы всех функций модуля ПР503 на схеме предусмотрено подключение трех антенн. В соответствии с технической документацией [8] к навигационному модулю подключается SIM-карта с помощью шести-контактного держателя SIM-карты Х9.Рисунок 4. Схема подключения: навигационного модуля ПР503.В качестве микроконтроллера был выбран ATmega1280-16AU (DD5) [7] с ядром AVR. Кварцевый резонатор ZQ1 уставлен между выводами XTAL1 и XTAL2 для подачи тактовых импульсов микроконтроллеру с частотой 16 МГц. Для того, чтобы обеспечить возможность записывать программу в память микроконтроллера без его извлечения из устройства, к микроконтроллеру подключен разъем внутрисхемного программирования Х11 по интерфейсу SPI. К выводам микроконтроллера PL2, PL3, PD4 и PD6 через токоограничивающие резисторы подключен разъем Х10 для подключения светодиодов КИПМО1Б-1К.Для контроля уровня напряжения питания при работе устройства используется микросхема супервизора DD6 MAX803REUR+T [9]. К выводам микроконтроллера PC2 - PC5, через токоограничивающие резисторы подключена транзисторная сборка 1НТ251. Схема реализована с целью управления каждым мотором индивидуально, включая и выключая их сигналы от микроконтроллера. К микроконтроллеру подключена пленочная клавиатуры matrix keypad AREM к выводам PJ2 - PJ6 и PA0, PA2. Также в микропроцессорном модуле используется камера OV7670, подключенная через разъем X8 к микроконтроллеру (DD5). На рисунке 5 изображена схема подключения микроконтроллера ATmega1280.Рисунок 5. Схема подключения микроконтроллера ATmega1280.Разработка элементов конструкции.Корпус для микропроцессорного модуля имеет класс защиты IP 44 в соответствии с ГОСТ 14254-2015. Нижняя часть корпуса имеет отделение с крышкой, в котором размещается батарейный отсек для батарейки "Крона", от которой работает устройство. В состав корпуса входят такие элементы, как: базовая плоскость корпуса (1), верхняя панель корпуса (2), пленочная-матричная клавиатура (3) светодиодный индикатор состояния (4), разъем для подключения внешней GPS/ГЛОНАСС антенны (5), разъем для подключения лазерного датчика расстояния (6), разъем для подключения модуля вибромоторов (7), пять разъемов для подключения четырех ультразвуковых датчиков расстояния и световой индикации (8), разъем для подключения камеры (9), разъем для установки SIM-карты (10). На рисунке 6 изображен внешний вид корпуса и профильный разрез.Рисунок 6. Корпус микропроцессорного модуля виброжилета.В качестве типа используемой печатной платы была выбрана многослойная печатная плата из стеклотекстолита третьего класса точности с толщиной 1,5 мм. Установку компонентов рекомендуется производить согласно ГОСТ 29137-91 припоем ПОС-61 по ГОСТ 21931-76. На рисунке 7 представлена 3D модель печатной платы сверху и снизу с установленными компонентами микропроцессорного модуля виброжилета для людей со сниженной остротой зрения.Рисунок 7. 3D модель печатной платы с установленными компонентами.Разработка и отладка фрагментов встроенного программного обеспечения.В рамках разработки устройства, необходимо проверить корректности работы модуля USART. Для этого была разработана подпрограмма, демонстрирующая возможности управления светодиодами с помощью данных, получаемых через USART. На рисунке 8 изображены значения битов в настроенных регистрах USART.Рисунок 8. Значения битов в настроенных регистрах USART.Выводы.В ходе выполнения работы был разработан микропроцессорный модуль виброжилета для людей со сниженной остротой зрения и выполнены следующие задачи: постановка задачи, разработана структурная схема устройства, описан обобщенный алгоритм работы микропроцессорного модуля виброжилета, произведен подбор компонентов, разработана электрическая принципиальная схема устройства, разработаны элементы конструкции устройства, выполнена расстановка компонентов на печатной плате устройства, разработаны фрагменты встроенного программного обеспечения.
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Зотов Ф.А. МИКРОПРОЦЕССОРНЫЙ МОДУЛЬ ВИБРОЖИЛЕТА ДЛЯ ЛЮДЕЙ СО СНИЖЕННОЙ ОСТРОТОЙ ЗРЕНИЯ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1332 - 1343. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23436 (дата обращения: 08.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+