基本信息
- 项目名称：
- 基于ZigBee无线网络的盲人导航系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 该作品使用基于ZigBee技术的无线传感器网络实现定位导航功能，通过用户终端的键盘、语音振动提示模块来实现对盲人等用户的导航功能。同时，该作品通过实时监控路口的交通灯确保盲人用户过马路时的安全。在整个导航过程中，用户只需在最初输入目的地即可，不需要其他额外的操作，直到抵达目的地。该系统具有良好的扩展性与市场应用前景，可以灵活广泛的应用于各类需要导航功能的场景，如临时户外活动、大型室内展馆、超市、智能小区、城镇导游系统等等。
- 详细介绍：
- 在我们的作品中，能够轻松的实现盲人在网络覆盖范围内的无障碍行进。在系统工作过程中，盲人用户只需要正确地通过键盘输入其目的地，并处于任意子网络的覆盖范围内或行进至最近的道路子网覆盖区域，就可以实现从当前位置到所输入目的地的全程辅助导航，期间，不需要盲人用户再做任何额外的操作。在导航的过程中，我们通过语音提示与振动提示两种提示方式给予盲人用户必要的行进信息如转向提示等等。完全实现了盲人独立无障碍出行这一目的，能够很好的解决这一社会问题。同时，该系统具有良好的扩展性能，能够很容易的扩展更加丰富的应用功能，并应用在其他的场合。 鉴于ZigBee技术的区域覆盖特性，我们所设计的盲人导航系统由盲人用户终端和多个城市路口网络组成。其中各个路口区域覆盖子网相互独立。用户在行进过程中根据所在区域的网络覆盖情况实时的加入和离开所在路口网络。 换句话说，用户并不是全程处于网络覆盖范围内。这样的设计主要是兼顾实际应用场景与成本，由于盲人等需要导航帮助的用户在直道是基本能够独立行走，因此只需在各个交通路口给予其相应的导航协助即可。这样做可以大大节约系统成本，同时便于灵活部署网络，同时，小网之间独立工作也能够提高网络的稳定性（当然如果成本允许可以实现全程全网覆盖以实现更加完备稳定的定位导航功能）。 因此我们采用多子网的系统形式，当用户靠近路口时自动加入该路口的网络，每个路口网络存储着对应各个路口的不同的道路信息。在每个路口网络中，网络协调器根据不同用户的目的地信息，及网络路口信息就能够算出导航路径并实时监测用户位置以实现实时导航功能。 我们将整个系统分为两部分，分别是用户端模块与路口网络模组。两种模块同时适用TI 公司的CC2430/31 SoC解决方案。 在实际的网络部署中，根据每个路口的大小、路况复杂度、人流量等因素选择性的确定参考点个数（4～16），并根据实地无线信道模型合理安排节点放置位置，以实现最优的网络性能与定位精度，并保证系统能提供的网络信息带宽。 在我们的作品中，协议栈的物理层及MAC层以IEEE 802.15.4标准为基础，网络层及应用层以ZigBee2004协议规范为参照，并在其上做了大量精简，保留了基本网络功能与应用层功能。同时根据实际应用优化了网络拓扑结构，实现运行效率与性能的最大化平衡。定位方面通过多点通信测量RSSI及硬件定位引擎实现。 导航方面我们采用类似Internet的路由机制，将路口位置抽象出各个相对区域标号，在通过半固定路由算法进行路径运算。同时再此基础上，通过各个区域的相对位置算出相应的导航提示信息。结合定位功能即可实现实时的基于用户位置的导航功能。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 盲人作为一个特殊的社会群体，需要人们给予更多的关注和关怀。在实际生活中，盲人最大的困扰是出行，如果能够很好的解决盲人的出行问题，将极大地促进其融入社会生活。因此我们开发了该作品。在我们的作品中，考虑到民用GPS等定位技术的定位精度一般在10m左右，不能保证用户在道路上的安全，因此我们使用ZigBee无线技术，通过区域组网，RSSI辅助定位，实现定位功能，并在此基础上附加导航算法实现用户的出行导航。其中，用户端用户通过键盘输入目的地，在系统运行过程中通过语音提示与振动提示给盲人用户以最直观的导航信息。 作品创新性的使用了新兴的ZigBee无线网络技术，并通过RSSI实现定位功能，能够把定位精度控制在1m左右，保证用户在道路上的安全。同时，ZigBee技术的大网络容量特性与数据传输能力，系统具有很好的扩展性。系统在运行过程中还能实时地监控交通等的情况，确保用户过马路的人身安全。最后，终端模块性能可靠、价格便宜，每个模块不到200元，各个网络节点不到100元，便于推广应用。 该系统的技术关键主要是ZigBee网络的部署设置与用户定位导航算法的开发优化。协议栈部分我们在MAC层和网络层做了大量优化精简以保证系统效率，在应用层加入功能模块实现上层功能；导航算法部分我们采用类路由算法，将方位虚拟化以提高运行效率。 技术指标如下： 网络覆盖半径：30m 网络数据速率：〉100kbps 定位精度：1~3m 系统用户容量：〉2 导航提示延时：〈0.5s
科学性、先进性
- 相比于目前广泛使用的GPS定位系统，采用ZigBee技术进行区域定位具有定位精度高，系统成本低，系统功耗低，集成度高，响应速度快，部署灵活，应用范围广，抗干扰能力强等优点，可以很好的满足我们的需求。 相比基于RFID的导航系统，虽然精度上有略有不足，但其系统成本极高，系统灵活性差，不能实现数据传输的功能。并且其普适性差，不适合大规模推广应用。 相比于上述技术采用ZigBee技术另一个很大优点就是在实现定位导航功能的同时，还能够保证相对高效的数据通信功能。这样，在实现定位功能的同时，还能够添加信息业务，比如作为用户出行的信息平台等。这样，能够极大的扩展其应用范围，移植到其他的应用场景之中。 我们的系统中还有一个极大的优点就是低功耗。首先，ZigBee模块本身功耗较低，且有休眠模式，即使广泛布网，仍能够很好的满足低维护营成本。其次，用户模块可能够在非网络覆盖区进入休眠模式，极大的延长了终端的使用时间，更增强了其便携特性。
获奖情况及鉴定结果
- 第五届“挑战杯”首都大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物、图片、录像、现场部分功能演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品使用时只需由用户通过键盘输入目的地即可，当用户进入任意路口网络后系统就能全程完成导航功能，其间无需用户再进行额外操作，方便简单。 系统方便部署、功能扩展性强；终端通过语音提示、人性化可靠性高；系统功耗低、算法效率高；网络容量大、性能稳定；定位精度高；模块体积小、重量轻、成本低；系统可移植性强、上层应用改造便捷。 作品能够很好的适用于盲人导航系统、老人儿童出行辅助系统、室内场馆导游信息平台、智能小区系统、城市便携导游系统、灾区应急通信系统等各类室内外应用场合。 作品具有很好的推广前景，符合构建和谐社会的理念，促进盲人融入社会。各模块集成度高、成本低廉，易于大规模部署推广。 目前，我国的无障碍化建设还处在起步阶段，各类相关基础设施建设刚起步，尤其是针对残疾人出行方面的保障建设更是没有好的解决方案，因此，该作品具有很好的开发前景。同时，该作品还具有很好的功能扩展性，能够很好的应用于各类场合，具有很好的市场经济效益。
同类课题研究水平概述
- 目前该问题世界上已有不少国家提出了一些解决方案，但都不能很好的对盲人出行提供有效的导航帮助。具体的一些研究成果如下： 美国佐治亚理工学院的布鲁斯•沃克等人新开发出一种为盲人导航的便携装置，它可以直接向盲人内耳传送柔和的低音，帮助盲人在城市中行走。该装置使用一个放在背包里的处理器，将全球卫星定位系统的定位数据和来自使用者头盔上照相机、传感器的数据加以综合处理，以确定使用者该朝哪个方向走才能到达想去的目的地。这一装置然后发出一系列的“嘟嘟”声响，为使用者指路。但是，该装置仍有很大的缺点，首先，使用GPS定位精度很低（军工除外），难以保证盲人正确走在人行道上。其次，无法监控交通灯的情况，难以保证其安全的通过路口。而且GPS系统耗电量大，不便于盲人的远距离出行。 欧盟资助了一项研究计划，旨在为盲人开发基于RFID的道路指示，属于SESAMONET计划的一部分。目前一个10人的专家组正在测试意大利的三条试验道路。盲人在行走时，需要使用特殊设计的导盲杖。导盲杖中嵌入RFID识读器，可以识别道路上埋设的RFID标签。标签上的标识信息通过无线连接传输到口袋中的迷你计算机，计算机可以计算行人的位置。行路帮助信息转换为声音符号，盲人可以通过耳机听到这些声音。通过声音的帮助，可以保证盲人一直处于道路的中央行走。该方案仍有不少缺点。首先，道路改造工程量大，必须对所有道路进行重新铺设，且整体功耗高。其次，盲人需要携带专门的计算机进行定位操作，不便于设备小型化。再次，必须建立一个完善的城市网络，不便于管理与系统升级。 目前还有一种利用超声波回声原理制作的盲人导航装置，是由盲人眼镜、检测箱和左、右耳机组成，其特征在于在盲人眼镜上设有超声波接受传感器和超声波发射传感器，超声波接受传感器和超声波发射传感器连接在检测箱的检测电路中；检测电路包括一个用于接受外界超声波信号，并将该信号经过运算和放大输出到左右耳机的信号接受发送电路和一个用于发射对比信号并调整频率的
