Proceedings VCM 2012 03 Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị đi đường

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

loài vật có thể bắt côn trùng khi đang bay trong
đêm tối, nhờ sử dụng sóng siêu âm để phán đoán
khoảng cách và kích cỡ của con mồi, cũng như vật
cản [1]. Ngoài dơi, cá voi và một số loài động vật
khác cũng có khả năng tuyệt vời này. Dựa theo
nguyên tắc định vị sóng siêu âm của động vật, các
nhà khoa học đã sáng tạo và ứng dụng nhiều loại
cảm biến siêu âm [2]. Việc sử dụng sóng siêu âm
để đo khoảng cách, tốc độ và vị trí vật thể… đã
được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như
y tế, xây dựng, giao thông… [3-5].
Ở Việt nam, mặc dù trong lĩnh vực y tế, xây
dựng, công nghệ vật liệu, giao thông… nhiều thiết
bị nhập khẩu để đo kiểm bằng sóng siêu âm đã
được áp dụng. Song việc sản xuất các thiết bị dùng
sóng siêu âm vẫn rất hạn chế và chúng tôi chưa
tìm thấy thiết bị nào có chức năng phát hiện
chướng ngại vật để hỗ trợ người khiếm thị đi
đường, trừ một vài nghiên cứu ứng dụng sóng siêu
âm để đo khoảng cách [6-7].


Kết quả điều tra năm 2002 cho thấy tổng số
người khiếm thị Việt Nam vào khoảng 900.000
người, chiếm 1,2% tổng dân số cả nước [8]. Mặc
dù những năm gần đây nhiều đơn vị, tổ chức, cá
nhân trong nước đã quan tâm đến việc chế tạo hay
cung cấp các dụng cụ, thiết bị hỗ trợ người khiếm
thị. Tuy nhiên, các sản phẩm này tập trung chủ yếu
như: gậy, các phần mềm máy tính, sách chữ nổi…

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

báo bằng tiếng nói tiếng Việt cho người khiếm thị
về các chướng ngại vật bên trái, bên phải và phía
trước trong lúc họ mang thiết bị ở thắt lưng và di
chuyển. Sản phẩm cần đạt các tiêu chí sau: (i)gọn
nhẹ, dùng pin, giá rẻ; (ii)phát hiện được chướng
ngại vật phía trước, bên trái, bên phải người sử
dụng ở khoảng cách phù hợp với tốc độ di chuyển
của người khiếm thị; (iii)cảnh báo chướng ngại vật
bằng âm thanh tiếng nói tiếng Việt với các âm
tương ứng là “trái”, “phải” và “trước”, dùng
headphone.
2.1 Phần cứng thiết bị
Phần cứng của thiết bị được thiết kế gồm 3 khối
chức năng cơ bản, được trình bày trên hình H.1,
trong đó:
(i) Khối điều khiển trung tâm dùng vi điều khiển
Atmel 89C2051 kiểm soát toàn bộ thiết bị, có
thể nạp trình lại dễ dàng;
(ii) Khối thu–phát sóng siêu âm dùng 03 mô-đun
SFR05 được phát triển bởi Devantech Brand
Robot Electronics [11], dùng để xác định vị
trí tương đối của chướng ngại vật so với vị trí
hiện tại của thiết bị;
(iii) Khối phát âm thanh cảnh báo sử dụng
ISD1420.

H. 1 Sơ đồ mạch điện của thiết bị

Mô-đun thu-phát sóng siêu âm SRF05 được
minh họa trên hình H.2 với các thông số kỹ thuật

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

4 mA

Kích thư
ớc

43 x 20 x 17
mm
T
ần số sóng âm

40 kHz


Theo giản đồ thời gian do nhà sản xuất cung
cấp, SRF05 cần cung cấp một đoạn xung ngắn
10µs để kích hoạt. Khi đó, nó phát 8 chu kỳ sóng
âm ở tần số 40KHz và đặt chân tín hiệu phản hồi
(echo line) lên mức cao. Sau đó, SRF05 chờ tín
hiệu phản xạ. Ngay sau khi phát hiện phản xạ nó
Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 15

Mã bài: 04
đặt chân phản hồi xuống mức thấp. Bằng cách đo
độ rộng xung phản hồi, ta hoàn toàn có thể để tính
khoảng cách từ SFR05 đến vật phản xạ. Khi không
có tín hiệu phản xạ, SRF05 giảm dòng phản hồi
sau khoảng 30ms. SRF05 xác lập xung phản hồi tỷ
lệ với khoảng cách, theo (1) [11]:

58

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

bằng một bàn phím nhị phân 8 bit; (ii)ấn
một phím cứng để tạo tín hiệu thu
0REC 
; (iii)thu
âm bằng một microphone; (iv)nhả phím trên để tạo
tín hiệu
1REC 
khi kết thúc quá trình thu; (v)thu
chuỗi âm khác tương tự nhưng phải thay đổi địa
chỉ A
0
-A
7
. Khi cần truy xuất đến chuỗi âm đã ghi,
vi điều khiển chỉ việc cung cấp địa chỉ đầu của
khối dữ liệu trên RAM và đọc đến byte cuối cùng
của chuỗi âm.


H. 3 Mạch ghi âm cho ISD1420

H. 4 Giản đồ thời gian ghi âm cho ISD1420

Phần khung hộp của thiết bị được thiết kế và
gia công bằng vật liệu inox, được trình bày trên
hình H.5.

a) Mặt trước

b) Mặt sau

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

nhất, (iv)CHUYEN_DOI là chương trình con
chuyển từ độ rộng xung phản xạ thành khoảng
cách từ cảm biến đến chướng ngại vật và
(v)XUAT_RA_LOA là chương trình con kích hoạt
chip ISD 1420 phát âm thanh cảnh báo.

H. 6 Lưu đồ chương trình chính

Từ lưu đồ hình H.6, ta thấy AT89C2051 sẽ
liên tục gọi chương trình con CAM_BIEN để ghi
nhận sóng siêu âm phản xạ từ 03 cảm biến SRF05.
Trong trường hợp tín hiệu phản xạ nằm trong
phạm vi 30cm, chương trình con
LAY_TREN_30CM sẽ ghi nhận đây là trường hợp
phản xạ trực tiếp từ tay của người sử dụng do thao
tác đánh tay khi đi gây ra. Ngược lại, nếu chướng
ngại vật nằm ở khoảng cách từ 30cm đến 80cm thì
03 cảm biến sẽ được chương trình con SO_SANH
xác định cảm biến nào nằm gần chướng ngại vật
hơn. Cảm biến gần chướng ngại vật nhất sẽ được
xem xét ưu tiên cảnh báo; khoảng cách từ cảm
biến đến chướng ngại vật sẽ được tính toán bằng
chương trình con CHUYEN_DOI. Sau đó chương
trình con XUAT_RA_LOA sẽ kích hoạt ISD1420
phát âm thanh cảnh báo cho người sử dụng thông
qua tai nghe. Kết thúc một chu kỳ đọc cảm biến,
quá trình sẽ được lặp lại cho cảm biến kế tiếp.
Ở đây cần nói rõ lý do vì sao thiết bị chọn
khoảng cách cảnh báo chướng ngại vật chỉ ở 80-
90cm, trong khi khả năng của cảm biến siêu âm

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:

TH0; 35H: TL0)
- Độ rộng xung phản hồi của cảm biến 3 (36H:
TH0; 37H: TL0)
Ngõ ra:
Đánh dấu xung phản hồi của cảm biến nhận
tín hiệu ở khoảng cách nhỏ hơn 30cm.

Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 17

Mã bài: 04
3. Kết quả và thảo luận
3.1 Sản phẩm
Sản phẩm mẫu của nghiên cứu này là thiết bị hỗ
trợ người khiếm thị đi đường được chế tạo như
hình H.8, với các tính năng kỹ thuật của thiết bị
mẫu được mô tả trong bảng B.2.

H. 8 Sản phẩm mẫu

B. 2 Các tính năng kỹ thuật của thiết bị
Tính năng k
ỹ thuật

Thông s
ố

S
ố cảm biến si
êu âm

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

Tr
ọng l
ư
ợng

150 gram

Ngu
ồn cấp điện


6VDC, 900mAh

Th
ời gian hoạt động li
ên t
ục

18
gi
ờ/lần sạc

Ngu
ồn nuôi bộ sạc pin

220V/50Hz

Dây đeo có th
ể điều chỉnh

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

Theo tính toán và thực tế chế tạo, thiết bị này
có giá dưới 1.500 ngàn đồng. Ngoài ra, nếu sản
xuất hàng loạt và sử dụng võ hộp nhựa thay cho
inox thì giá thành phẩm hoàn toàn phù hợp với khả
năng trang bị của người khiếm thị Việt Nam.

4. Kết luận và đề nghị
Nghiên cứu này đã thiết kế, chế tạo, thử nghiệm,
hiệu chỉnh và hoàn thiện thiết bị hỗ trợ người
khiếm thị đi đường 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. Thực nghiệm tại Hội
người mù Thành phố Cần Thơ cho thấy thiết bị đã
đáp ứng được sự mong đợi và mang lại nhiều hi
vọng cho người khiếm thị với những ưu điểm nổi
bật như sau:
- Thiết bị nhỏ gọn, dùng pin và có thể đeo bằng
một dây đai quấn quanh thắt lưng người sử
dụng.
- Thiết bị cảnh báo kịp thời chướng ngại vật
phía trước, bên trái và bên phải người sử dụng
bằng tiếng nói.
- Việc sử dụng thiết bị được thực hiện dễ dàng,
tiện lợi với thời lượng pin sử dụng liên tục
khoảng 18 giờ cho một lần sạc.
Thiết bị này hoàn toàn có thể sản xuất được
trong nước. Do vậy, thông qua công bố này, nhóm
nghiên cứu kêu gọi sự đầu tư của các tổ chức, cá

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.

[4]. J.M. Dolsma, 2006. Obstacle detection in blind
zone of ultrasonic sensors. Technische
Universiteit Eindhoven, DCT 2005.95, 77p.
[5]. Batarseh, D.T., Burcham, T.N. and McFadyen,
G.M., 1997. An ultrasonic ranging system for the
blind. Proc. Biomedical Engineering Conference,
04 - 06 Apr 1997, pp. 411 – 413.
[6]. Trần Thị Thủy, Nguyễn Quang Thắng và Đinh
Sơn Thạch. Đo khoảng cách và xác định vị trí vật
thể bằng phương pháp siêu âm. Báo cáo Hội nghị
Khoa học và Công nghệ lần 10, ĐHBK – ĐHQG
TP.HCM, 2007.
[7]. Trần Quốc Đạt, Đặng Quang Đông, Lê Văn Tụy
và Phạm Quốc Thái. Nghiên cứu hệ thống kiểm
soát khoảng cách an toàn cho ôtô trên đường cao
tốc. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên
Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng,
năm 2010.
[8]. Thư viện KH tổng hợp Tp.HCM. Hiện trạng của
người tàn tật và khiếm thị ở Việt Nam. Liên kết:

khiem_thi/tai_lieu/dv_tv_cho_nguoi_khiem_thi/c
am_nang_thuc_hanh_tot_nhat/contents/5/5.8
[9]. Quyết định số: 239/2006/QĐ-TTg ký ngày 24
tháng 10 năm 2006, về việc phê duyệt Đề án trợ
giúp người tàn tật giai đoạn 2006 – 2010.
[10]. Intel, MSC-51 Micro-controller Family User’s
Manual, order No. 272383-002, 1984.
[11]. Devantech Brand ROBOT ELECTRONICS,
SRF05 - Ultra-Sonic Ranger Technical

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