XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка на основе RFID-технологии устройства помощи чтению людям с ограниченными возможностями зрения
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В качестве эпиграфа к данной работе приводится следующее высказывание: «Во время учебы, на одном из семинаров по сенсорным нарушениям, в группе был проведен такой эксперимент: десяти слушателям завязали глаза и отправили самостоятельно выйти из кабинета, пройтись вкруговую по знакомому коридору и вернуться обратно в аудиторию, ориентир – стена (за нее можно держаться руками). Идти было страшно, ничего не видно, годами хоженый коридор вдруг удлинился, и вообще стерлись какие-либо границы пространства, а вместе с ним и времени. Мы ощущали себя полностью оторванными от мира и очень беспомощными. А ведь такими и являются слепые и слабовидящие люди. Что им делать в пугающем социуме, как помочь?» [1].
Актуальность нашей работы состоит в следующем. На сегодняшний день во всем мире насчитывается около 39 миллионов слепых людей и 124 миллионов человек с плохим зрением. Каждые пять секунд в мире слепнет один взрослый человек, каждую минуту – ребенок.
Помощь таким людям всегда являлась актуальной задачей. Из всех созданных устройств помощи слепым и слабовидящим людям на данный момент наиболее доступными и наиболее распространёнными являются два устройства – белая трость и шрифт Брайля.
а) б)
Рис 1. Устройства помощи слепым людям: а) белая трость, б) шрифт Брайля
На сегодняшний день создано большое количество различных устройств, предназначенных для облегчения жизни слепых людей. Однако практически все они по своей цене являются весьма дорогостоящими, что делает их недоступными для большинства людей.
Рис 2. Современные устройства помощи слепым людям
С 1 декабря 2014 года в России действует Федеральный закон № 14 «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам социальной защиты инвалидов в связи с ратификацией Конвенции о правах инвалидов». Согласно данному закону в различных госучреждениях, а также в общественном транспорте должна быть осуществлена программа помощи людям с ОВЗ «Доступная среда» [2].
Рис 3. Пример реализации программы «Доступная среда» в ОУ
Одним из основных пунктов реализации данной программы является то, таблички со шрифтом Брайля должны быть не только на вывески у входа в учреждение, но и у каждого кабинета.
Рис. 4. Пример использования шрифта Брайля на вывески у входа и на табличке у кабинета
Однако часто можно заметить то, что выполнение закона в ряде учреждений осуществляется не всегда в полной мере. Возможной причиной возможно является, то, что изготовление одной читаемой таблички со шрифтом Брайля размера А4, стоит не менее 2000 рублей. Но достаточно часто возникают ситуации, требующие изменения содержания информации, представленной на табличке, например, изменился номер кабинета, его назначение и т. д.
Кроме того, необходимо отметить, что чтение на шрифте Брайля является не очень лёгким делом и требует достаточного количества времени для освоения этого навыка.
Таким образом, целью нашей работы является создание устройства помощи чтению для людей с ограниченными возможностями зрения, которое могло бы стать аналогом предметов, содержащих шрифтом Брайля. Исходя из поставленной цели, вытекают следующие задачи:
1. Изучить имеющуюся информацию
2. Разработать теоретическую модель устройства
3. Создать прототип устройства
Создание на основе rfid-технологии устройства помощи людям с ограниченными возможностями зрения
Первоначально предполагалось использование следующих современных технологий – QR-код и блютуз модуль.
а) б)
Рис 4. а) QR-код, б) bluetooth-модуль
Однако в процессе реализации были выявлены следующие недостатки у QR-кода:
– необходимость постоянного интернет соединения;
– высокие требования к оборудованию и окружающим условиям;
– проблемы сканирования при повреждении кода;
а также у bluetooth модуля:
– цена оборудования и монтажа;
– необходимость постоянного обслуживания;
– необходимость постоянной подачи питания.
Поэтому было принято решение отказаться от данных технологий. Ранее авторами проекта смогли найти решение названным проблемам. Был разработан прототип устройства помощи чтения людям с ограниченными возможностями зрения, который состоит из следующих частей:
-
Программно-аппаратный комплекс (ПАК), изготовленный из смартфона
-
VR-очки
-
Пульт дистанционного управления
-
Наушники
ПАК – это смартфон, работающий в режиме «киоска». «Киоск» - это электронное устройство, работающее с одной единственной программой и предоставляющий человеку ограниченный набор возможностей.
Рис 5. Фотография созданного прототипа
Разработанный прототип имеет следующие преимущества перед названными аналогами:
- нет необходимости выхода в интернет;
- нечувствительность к искажениям кода;
- создание кода занимает несколько секунд;
- невысокие требования к оборудованию и окружающим условиям (плохое освещение и т. п.)
ПО для ПАК является программа Phonopapper, разработанная в 2004 году Александром Золотовым. Программа PhonoPaper основана на движке программы Virtual ANS — это программный симулятор легендарного советского фотоэлектронного синтезатора АНС.
Рис. 6. Логотип программы Phonopaper [3]
На рис. 7 представлен пример кода Phonopapper.
Рис. 7. Пример кода Phonopapper [3]
Как видно на рис 8, код состоит из 8 октав, с возрастанием частот от низких к высоким снизу-вверх.
Рис 8. Спецификация кода [3]
Октава — это музыкальный интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет один к двум. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный музыкальный интервал. Два звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте. Интервал октавы охватывает восемь ступеней диатонического звукоряда, например, от «до» до следующего «до» или от «ре» до следующего «ре» и т. д. В элементарной теории музыки (ЭТМ) октава обозначается цифрой 8.
Как же работает данная программа? Рассмотрим это на примере кода Virtal АНС.
Рис 9. Схема работы кода программы Virtual ANS [4]
Сканирующая линия «читает» изображение и разделяет его на октавы в зависимости от высоты тона и глубины пикселя. Октавы делятся на более мелкие полутона (в одной октаве 6 тонов), а полутона преобразуются генератором в чистые тона – звуковые синусоидальные сигналы. Эти сигналы микшер преобразует в воспринимаемый человеком звук.
Данное устройство было протестировано и доказало своё эффективность в качестве альтернативы табличкам со шрифтом Брайля. Однако, разработанная технология также имеет и свои недостатки. Так, например, одним из существенных недостатков является то, что после записи графический код должен быть распечатан на бумаге формата А4, что делает данную технологию пригодной в качестве альтернативы табличкам, имеющим шрифт Брайля и другим предметам подобного размера, но соверешенно не пригодной для использования на предметах более мелкого размера.
Поэтому, предлагаемым решением является использование RFID-технологии.
Рис 10. Логотип RFID-технологии
Как известно, RFID-система включает в себя два обязательных компонента: считывающее устройство и метка (тег). Чаще всего метка состоит из интегральной схемы где хранятся данные и антенны для связи со считывателем.
Рис 11. Схема, иллюстрирующая принцип действия RFID-системы
Если каждый предмет, с которым так или иначе контактирует человек с ограниченными возможностями зрения, будет содержать RFID-метку, а в качестве считывателя использовать смартфон, то человек сможет легко получать информацию о данном предмете, например, его наименование, срок годности и т.д. Для дальнейшей разработки данной системы необходимо определится с её ключевыми свойствами и параметрами.
По источнику питания можно выделить два основных вида RFID-меток — пассивные и активные. Пассивные RFID-метки не имеют встроенного источника энергии. Они питаются от тока, индуцированного в антенне электромагнитным сигналом считывающего устройства. Это обеспечивает достаточную мощность для функционирования чипа метки. Именно такой тип меток планируется использовать в дальнейшем.
Также очень важным критерием при RFID-системы является рабочая частота, от которой зависит её дальность действия. В первую группу входят метки низкочастотного диапазона (125 — 134 кГц). Такие метки используются в пропускных карточках. Для чтения информации с такой метки карту необходимо прикладывать непосредственно к считывателю.
Следующей группой являются метки с высокочастотным диапазоном (13,56 МГц). При нормальных условиях максимальная дальности их действия больше и составляет около 10 см, что отчасти достаточно для применения в разрабатываемой системе.
Однако, существуют метки работающие на более высоких частотах (860 — 960 МГц). Транспондеры данного вида обладают наибольшей дистанцией считывания. Следовательно, идеальным решением для разрабатываемого прототипа является использование меток с ультравысокими частотами, на основании чего впоследствии будет подбираться считывающее оборудование.
Таким образом, в разрабатываемой системе необходимо использовать пассивные метки, использующие память с возможностью записи и работающие в диапазоне 860 — 960 МГц.
Однако, немаловажным моментом является тот факт, что несмотря на распространённость технологии NFC, на данный момент смартфоны практически не используются как считыватели RFID-меток. Возможно, одной из причин этому является отсутствие на сегодняшний день программного обеспечения, предназначенного для данных целей.
Таким перед авторами проекта встаёт задача, состоящая из двух этапов:
1. Разработать технологию, позволяющую использовать смартфон для чтения пассивных RFID-меток, работающие в диапазоне 860 — 960 МГц.
2. Разработать программное обеспечение, которое позволяющее считывать информацию с RFID-меток и воспроизводить её в аудио формате.
Решение данных задач позволит внедрить RFID-технологию для облегчения повседневной жизни людей с ограниченными возможностями зрения.
Заключение
В результате выполнения работы было установлено, что имеется возможность использования RFID-технологии для создания устройства помощи чтения для людей с ограниченными возможностями зрения. Были определены основные компоненты и технические требования, предъявляемые к ним.
Реализация предложенной идеи подразумевает решение двух основных задач:
1. Разработать технологию, позволяющую использовать смартфон для чтения пассивных RFID-меток, работающие в диапазоне 860 — 960 МГц.
2. Разработать программное обеспечение, которое позволяющее считывать информацию с RFID-меток и воспроизводить её в аудио формате.
Решение данных задач позволит внедрить RFID-технологию для облегчения повседневной жизни людей с ограниченными возможностями зрения.
Список литературы
1. Как помочь слепому ребенку – социализация слепых и слабовидящих [Электронный ресурс] / Сибирский медицинский портал. URL: http://www.sibmedport.ru/article/11124-kak-pomoch-slepomu-rebenku-sotsializatsija-slepyh-i-slabovidjashchih/
2. Федеральный закон от 1 декабря 2014 г. N 419-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации по вопросам социальной защиты инвалидов в связи с ратификацией Конвенции о правах инвалидов» (с изменениями и дополнениями) [Электронный ресурс]/ Система ГАРАНТ. URL: http://base.garant.ru/70809036/#ixzz5WKcF7L9l
3. PhonoPaper [Электронный ресурс] / WarmPlace.ru. URL: http://warmplace.ru/soft/phonopaper/index_ru.php
4. Октава [Электронный ресурс] / Википедия – свободная энциклопедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Октава
5. Virtual ANS (спектральный синтезатор) [Электронный ресурс] / WarmPlace.ru. URL: http://warmplace.ru/soft/ans/index_ru.php