Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 13

Mã bài: 04
Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị đi đường
An electronic walking aid device for the blind
Nguyễn Chí Ngôn
Trường Đại học Cần Thơ, e-Mail:

Tóm tắt
Nghiên cứu này nhằm thiết kế và chế tạo một thiết bị điện tử giá rẻ có khả năng phát hiện chướng ngại vật
phía trước, bên trái và bên phải bằng sóng siêu âm, đồng thời phát âm cảnh báo cho người khiếm thị bằng
giọng nói. Thiết bị được thiết kế nhỏ gọn, có thể đeo quanh thắt lưng người sử dụng. Phần cứng của nó gồm 03
phần: (i)khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển 89C2051 kiểm soát toàn bộ thiết bị, (ii)bộ cảm biến thu–
phát siêu âm SFR05 dùng để xác định vị trí của chướng ngại vật so với thiết bị và (iii)khối phát âm thanh cảnh
báo dùng chip ISD1420. Phần mềm hệ thống được tích hợp trên vi điều khiển và có thể ghi, nạp lại một cách
dễ dàng. Thử nghiệm thiết bị tại Hội người mù Thành phố Cần Thơ cho thấy, lần đầu tiên giới thiệu, thiết bị đã
đáp ứng được sự mong đợi và mang lại nhiều hi vọng cho người khiếm thị về một sản phẩm hữu ích giá rẻ.
Từ khóa: Người khiếm thị, siêu âm, vi điều khiển
Abstract
This study aims to design and implement an electronic walking aid device for the blind which can detect
obstacles on left, right and in front of the user by ultrasonic, and warn by speech. This device is designed small
enough and can be carried by a flexible belt. The device’s hardware includes 3 parts: (i)central processing
block using 89C2051 micro-controller, (ii)ultrasonic transmitter-receiver block using SRF05 module, and
(iii)warning block using ISD1420 single-chip voice record/playback devices. The operating system is
integrated into 89C2051 which can be reprogrammed easily. Testing this device at the CanTho City
Association of the Blind indicated that the device archives the requirements on walking aid for the blind and
gives a feasibility of producing a low price useful device.
Keywords: The blind, ultrasonic, microcontroller

1. Giới thiệu
Trong thế giới tự nhiên, chúng ta biết rằng dơi là

Trong khi đó, phần lớn các công trình công cộng
hiện thiếu thiết bị và phương tiện, cũng như các
giải pháp thiết kế tiếp cận sử dụng đối với người
khuyết tật. Nó sẽ là rào cản hạn chế người khuyết
tật hòa nhập cộng đồng, phát huy năng lực, đóng
góp cho xã hội. Vì thế, quyết định số
239/2006/QĐ-TTg của Thủ tướng chính phủ qui
định 100% các công trình xây dựng và giao thông
công cộng thiết kế và xây dựng mới và 20% - 30%
công trình cũ được cải tạo phù hợp với việc tiếp
cận của người tàn tật [9]. Các chủ trương, chính
sách của Đảng và nhà nước đã thúc đẩy các nghiên
cứu, chế tạo thiết bị, công cụ hỗ trợ người khuyết
tật.
14 Nguyễn Chí Ngôn

VCM2012
Nghiên cứu này nhằm thiết kế, thử nghiệm và
hoàn thiện quy trình chế tạo thiết bị điện tử giá
thành phù hợp với thu nhập thấp của người khiếm
thị, có khả năng phát hiện chướng ngại vật phía
trước, bên trái và bên phải bằng sóng siêu âm; sau
đó phát âm thanh cảnh báo cho người khiếm thị
bằng giọng nói. Thiết bị được thiết kế nhỏ gọn, có
thể đeo quanh thắt lưng, để hỗ trợ cho người
khiếm thị đi đường.

2. Phương pháp thiết kế
2.1 Yêu cầu về sản phẩm
Sản phẩm thiết kế là một thiết bị có khả năng cảnh

nhà sản xuất cung cấp cho trong bảng B.1. H. 2 Mô-đun thu-phát sóng siêu âm SRF05
B. 1 Chức năng của SRF05
Ch
ức năng

Giá tr
ị

T
ầm hoạt động

1 cm 4 m

Cư
ờng độ sóng âm

65 dB

Ngu
ồn cấp điện

5V DC

Dòng
đi
ện hoạt động


W
L  (1)
Trong đó, W là độ rộng xung phản xạ tính bằng
đơn vị µs; L là khoảng cách từ SRF05 đến vật
phản xạ, tính bằng cm.
Khối cảnh báo chướng ngại vật của thiết bị sử
dụng ISD1420. Chip này được phát triển bởi hãng
Winbond, có khả năng thu phát thoại một cách đơn
giản, tiện lợi và chất lượng cao [12]. ISD1420 là
một chip công nghệ CMOS, có chứa bộ tạo dao
động nội, bộ tiền khuếch đại micro, điều khiển độ
khuếch đại tự động, bộ lọc sai số lấy mẫu, bộ lọc
trơn, khuếch đại công suất loa và mảng lưu trữ đa
mức mật độ cao. Ngoài ra, ISD1420 còn là chip
thích hợp cho việc định địa chỉ và nhận các thông
điệp phức tạp. Việc ghi âm được thực hiện trong
bộ nhớ RAM nội, không bay hơi, với khả năng lưu
trữ đến 128KB, tương ứng khoảng 20 giây phát
lại. Để ghi các âm thanh cảnh báo vào ISD1420,
nghiên cứu này phải chế tạo một mạch nạp như
hình H.3, theo tài liệu hướng dẫn của hãng sản
xuất.
Âm thanh được nạp vào chip ISD1420 gồm 3
từ: “trái”, “phải” và “trước”. Theo giản đồ thời
gian trên hình H.4, để ghi một chuỗi âm thanh, ta
thực hiện như sau: (i)đặt địa chỉ của thông báo cần
thu A
0
-A
7

H. 5 Bản vẽ khung hộp của thiết bị

2.2 Phần mềm hệ thống
Vi điều khiển AT89C2051 được sử dụng để quản
lý toàn bộ hoạt động của thiết bị. Phần mềm hệ
thống được xây dựng cho vi điều khiển dùng hợp
ngữ. Về nguyên tắc, phần mềm hệ thống sẽ thăm
dò cảm biến sau mỗi thời khoảng nhất định. Tại
mỗi thời điểm thăm dò, cảm biến siêu âm SRF05
sẽ được kích hoạt. Sau đó, cảm biết sẽ phát một
chuỗi sóng siêu âm tần số 40KHz. Nếu cảm biến
nhận được sóng siêu âm phản xạ, AT89C2051 sẽ
kích hoạt chip ISD1420 phát âm cảnh báo tương
ứng. Ngược lại, nếu SRF05 không nhận được sóng
phản xạ, AT89C2051 sẽ dò đến cảm biến kế tiếp.
Quá trình lặp lại tuần hoàn, trong suốt thời gian
hoạt động của thiết bị. Trường hợp có nhiều cảm
biến đồng thời nhận được sóng phản xạ, bộ xử lý
sẽ ưu tiên cảnh báo vật cản ở gần thiết bị nhất.
Lưu đồ chương trình hệ thống được xây dựng
như hình H.6, gồm 05 chương trình con, cụ thể:
(i)CAM_BIEN là chương trình con đọc trạng thái
của 03 cảm biến siêu âm SRF05,
(ii)LAY_TREN_30CM là chương trình con loại
16 Nguyễn Chí Ngôn

VCM2012
nhiễu do sóng siêu âm phản xạ từ việc đánh tay
trong khi đi, (iii)SO_SANH là chương trình con
xác định cảm biến nào nằm gần chướng ngại vật

SRF05 có thể phát hiện tốt vật thể ở khoảng cách
hơn 2m. Lý do đơn giản là khoảng cách phải được
chọn phù hợp với tốc độ di chuyển chậm của
người khiếm thị. Hơn nữa, nếu cảnh báo quá xa,
người sử dụng gặp nhiều khó khăn khi di chuyển
trong nhà hay trong các hành lang hẹp. Tóm lại,
nghiên cứu này đã thực hiện việc thử sai nhiều lần
để quyết định khoảng cách cảnh báo sớm chướng
ngại vật cho thiết bị, phù hợp với yêu cầu sử dụng
của người khiếm thị. H.7 Lưu đồ chương trình lấy trên 30cm

Chương trình hệ thống khá dài nên không thể
trình bày trong khuôn khổ bài báo này. Hình H.7
mô tả giải thuật của chương trình con
LAY_TREN_30CM. Đây là chương trình con
được xây dựng nhằm hạn chế việc cảnh báo nhầm
do sóng siêu âm phản xạ trực tiếp từ một trong hai
tay của người sử dụng, gây ra do động thái đánh
tay lúc bước đi, chương trình hệ thống cần ghi
nhận và loại bỏ các trường hợp vật cản nằm trong
khoảng (0-30cm). Trên lưu đồ giải thuật hình H.7,
các biến vào/ra của chương trình con này gồm:
Ngõ vào:
- Độ rộng xung phản hồi của cảm biến 1 (địa chỉ
32H lưu byte cao TH0; 33H lưu byte thấp
TL0)
- Độ rộng xung phản hồi của cảm biến 2 (34H:

3

Kích thư
ớc vật nhỏ nhất

có thể phát hiện được
5x5x5cm

Kho
ảng cách cảm biến

phía trước(*)
30
–

90cm

Kho
ảng cách cảm biến

bên trái và bên phải(*)
30
–

80cm

Kích thư
ớc thiết bị

30x50x120cm


0
-
120cm

(*): Khoảng cách tối đa cảm biến có thể hoạt động
là 4m; kiểm nghiệm với vật cản 5x5x5cm ở khoảng
cách 2m cho thấy cảm biến phát hiện chính xác.

3.2 Thực nghiệm
Thiết bị mẫu đã được kiểm nghiệm trên 03 hội
viên tình nguyện thuộc Hội người mù Thành phố
Cần Thơ. Kết quả thử nhiệm cho thấy thiết bị phát
hiện và cảnh báo kịp thời các chướng ngại vật phía
trước, bên trái và bên phải. Ngoài ra, để khảo sát
phạm vi nhận biết vật cản của thiết bị, nghiên cứu
này dùng một vật kích thước 5x5x5cm đặt trong
tầm quan sát của thiết bị, để xác định phạm vi phủ
sóng của cảm biến. Kết quả khảo sát cho thấy tầm
hoạt động của thiết bị như trên hình H.9. Cảm biến
phát hiện các chướng ngại vật từ 30cm đến 80cm.
Thực nghiệm cho thấy với tầm hoạt động này,
thiết bị không báo nhầm các tín hiệu phản xạ gây
ra do thao tác đánh tay lúc người sử dụng bước đi,
đồng thời thiết bị cũng kịp thời cảnh cáo các
chướng ngại vật ở khoảng cách 80-90cm, ở phía
trước, bên trái và bên phải của người khiếm thị. H. 9 Tầm hoạt động của thiết bị

nhân nhằm chế tạo hàng loạt sản phẩm với giá
thành thấp, cung cấp cho người khiếm thị Việt
Nam hoặc thực hiện một chương trình tài trợ nhân
đạo và phi lợi nhuận.
Cám ơn
Tác giả xin chân thành cám ơn Bộ thông tin và
Truyền thông đã tài trợ kinh phí cho nghiên cứu
này trong phạm nhiệm vụ khoa học, công nghệ mã
số 02-NCCD-2011. Tác giả cũng xin cám ơn các
em sinh viên ngành Cơ-điện tử, thuộc Khoa Công
Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ đã hỗ trợ phần
thực nghiệm.

18 Nguyễn Chí Ngôn

VCM2012
Tài liệu tham khảo
[1]. Jones, K. E., O. R. P. Bininda-Emonds, and J. L.
Gittleman (2005). "Bats, clocks, and rocks:
diversification patterns in chiroptera". Evolution
59 (10): 2243–2255. PMID 16405167.
[2]. Kundu, T., Tribikram Kundu, Kundu Kundu,
Ultrasonic Nondestructive Evaluation:
Engineering and Biological Material
Characterization. CRC Press, 848 pages, 2004.
ISBN: 9780849314629.
[3]. Etsuzo Ohdaira and Masao Ide, 1995. New Model
of the Ultrasonic Walking Aid for the Blind.
Journal of Robotics and Mechatronics, Vol.7,
No.2 pp. 147-150.

Specification, 2011. Link: ot-
electronics.co.uk/htm/srf05tech.htm
[12]. Winbond Electronic Corp., ISD1400 series single-
chip voice record/ playback devices, 2004.