南京科技職業(yè)學(xué)院 葛先雷

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眼控智能LED臺(tái)燈的設(shè)計(jì)

南京科技職業(yè)學(xué)院 葛先雷

【摘 要】人在疲勞狀態(tài)下的生理指標(biāo)會(huì)偏離正常值，因此可以通過(guò)指標(biāo)來(lái)判斷人是否進(jìn)入疲勞狀態(tài)。目前基于眼動(dòng)機(jī)理研究疲勞的算法有很多種，廣泛采用的算法包括PERCLOS，即將眼瞼閉合時(shí)間占一段時(shí)間的百分比作為生理疲勞的測(cè)量指標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】眼控；LED臺(tái)燈；智能設(shè)計(jì)

順應(yīng)科技的進(jìn)步，臺(tái)燈開(kāi)發(fā)走向智能化、節(jié)能化。智能臺(tái)燈可以節(jié)省能源和糾正使用者的錯(cuò)誤坐姿，預(yù)防不良坐姿引發(fā)的頸椎變形及近視的發(fā)生。

1　主要研究?jī)?nèi)容

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種用眼睛控制的智能臺(tái)燈，該臺(tái)燈安裝疲勞識(shí)別系統(tǒng)。疲勞識(shí)別系統(tǒng)是基于紅外圖像的處理使得產(chǎn)品在光下和黑暗里都能進(jìn)行識(shí)別疲勞的研究。檢測(cè)眼睛開(kāi)合情況，尤其增加了對(duì)瞳孔的識(shí)別，眼皮沒(méi)合上眼珠長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)瞳孔就很暗。檢測(cè)的眼皮開(kāi)合時(shí)間比作為一種信號(hào)，瞳孔的亮暗時(shí)間比是第二種信號(hào)，這兩種識(shí)別信號(hào)傳到單片機(jī)，進(jìn)一步控制LED臺(tái)燈的亮度及燈的開(kāi)關(guān)，同時(shí)發(fā)出報(bào)警音樂(lè)讓人清醒或去睡覺(jué)。

2　設(shè)計(jì)的原則

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)家居生活的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、節(jié)能化的需求更加強(qiáng)烈,將家用電器、照明燈具、安防報(bào)警等模塊制造成智能照明系統(tǒng)，傳統(tǒng)照明系統(tǒng)已無(wú)法滿足現(xiàn)代人的需求,智能照明系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

該智能LED臺(tái)燈實(shí)現(xiàn)了“傳感器實(shí)時(shí)釆集,傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)透?jìng)?遙控器精準(zhǔn)控制,上位機(jī)集中管理”的設(shè)計(jì)目標(biāo),隨著住戶對(duì)照明品質(zhì)要求的提高,在智能建筑、智能家居行業(yè)極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,應(yīng)用前景廣闊。

3　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1硬件設(shè)計(jì)方案

LED智能照明控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)微處理器、傳感器(光照度、溫度、移動(dòng)目標(biāo))、PT4115驅(qū)動(dòng)調(diào)光、PCB設(shè)計(jì),構(gòu)建起完整的硬件平臺(tái)。

3.2傳感器組成的信號(hào)檢測(cè)及處理部分

單片機(jī)是本次智能節(jié)能臺(tái)燈設(shè)計(jì)中的主要控制單元，主要控制電路燈光，單片機(jī)控制著控制電路。

智能臺(tái)燈的設(shè)計(jì)是以傳感器為基礎(chǔ)的，傳感器組成的處理部分電路及信號(hào)檢測(cè)電路。信號(hào)檢測(cè)及處理電路是由BISS000、熱釋電紅外傳感器、光敏電阻、組成的。紅熱釋電紅外傳感器只接收波長(zhǎng)為10μm左右的紅外輻射，所以除人體以外的其他物體不會(huì)引發(fā)探頭動(dòng)工作，能很好避免由其他物體引發(fā)探頭工作從而導(dǎo)致臺(tái)燈誤開(kāi)，浪費(fèi)資源的現(xiàn)象。探頭內(nèi)由互相串聯(lián)的熱釋電元構(gòu)成，制成的兩個(gè)電極化方向剛好相反，環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無(wú)信號(hào)輸出。

LED驅(qū)動(dòng)器方案：作為綠色環(huán)保、高效節(jié)能的第四代新型光源，LED是低電壓(2V～3.6V)、大電(200mA～l500mA)的半導(dǎo)體器件，其發(fā)光強(qiáng)度取決于LED光源的正向電流，當(dāng)正向電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致LED芯片結(jié)溫大幅升高，光通量大幅衰減，壽命縮短；當(dāng)正向電流過(guò)小會(huì)導(dǎo)致LED發(fā)光強(qiáng)度大幅下降,影響照明質(zhì)量。LED的端電流恒定不變，端電壓隨負(fù)載變化；精確控制LED正向電流的脈沖頻率與占空比，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)；間歇脈沖供電,延長(zhǎng)了大功率LED額定壽命。

LED調(diào)光方案：LED屬于二極管,可實(shí)現(xiàn)高頻開(kāi)與關(guān)，實(shí)現(xiàn)PWM脈沖調(diào)光。PWM調(diào)光無(wú)色譜偏移，調(diào)光精確度高達(dá)萬(wàn)分之一，且無(wú)LED閃爍現(xiàn)象；PWM調(diào)光維持恒流源驅(qū)動(dòng)，無(wú)過(guò)熱現(xiàn)象。

3.3軟件方案

本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)是通過(guò)眼動(dòng)儀對(duì)學(xué)習(xí)者的眼動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，學(xué)習(xí)者佩戴眼鏡（含眼動(dòng)儀）進(jìn)行學(xué)習(xí)，眼動(dòng)儀采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，并選擇需要進(jìn)行下一步處理的數(shù)據(jù)，整理成與系統(tǒng)匹配的數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入到該系統(tǒng)中，篩選任務(wù)需求的眼動(dòng)指標(biāo)。通過(guò)選擇不同的疲勞監(jiān)測(cè)指標(biāo)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析處理，獲得其不同精神狀態(tài)的閾值相關(guān)指標(biāo)，得到其學(xué)習(xí)過(guò)程中的表征精神狀態(tài)的數(shù)值變化。通過(guò)可視化界面如實(shí)時(shí)波動(dòng)曲線監(jiān)測(cè)來(lái)觀察學(xué)習(xí)者的實(shí)時(shí)精神狀態(tài)變化，也可以通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)學(xué)習(xí)者的實(shí)時(shí)提醒功能。系統(tǒng)流程圖如下圖所示。

3.4控制單元

控制程序的運(yùn)行終止，在某些實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，我們并不需要時(shí)刻開(kāi)啟對(duì)學(xué)習(xí)者眼動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，在不需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉系統(tǒng)運(yùn)行來(lái)避免出現(xiàn)誤報(bào)或者對(duì)學(xué)習(xí)者的注意力產(chǎn)生影響。在需要的時(shí)候開(kāi)啟軟件，隨時(shí)中斷或者開(kāi)啟監(jiān)測(cè)功能。使得基于眼動(dòng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的靈活性。

4　實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)啟動(dòng)后,先由紅外差頻定位瞳孔,定位瞳孔后再進(jìn)行眼睛狀態(tài)的提取。眼睛特征提取是使用訓(xùn)練好的三種眼睛模板運(yùn)用改進(jìn)的模板匹配的方法提取眼睛狀態(tài)。使用訓(xùn)練好的全開(kāi)、半開(kāi)、全閉三個(gè)模板與圖像中指定眼睛的區(qū)域進(jìn)行匹配。由于眼睛瞳孔已定位,眼睛的區(qū)域已固定。根據(jù)眼睛的活動(dòng)范圍空間大小分別劃分兩個(gè)合適大小的區(qū)間,在區(qū)間內(nèi)使用模板進(jìn)行匹配來(lái)提取眼睛的特征。

檢測(cè)出眼睛的三種狀態(tài)以后，我們用測(cè)量PERCLOS值的原理來(lái)判斷眼睛的疲勞程度。測(cè)量PERCLOS值的原理通過(guò)測(cè)量出t通過(guò)測(cè)量出tl-t4就能計(jì)算出PERCLOS的值:F=t3-t2/t4-t1，f代表眼睛閉合時(shí)間的百分率，即：PERCLOS值；t1是眼睛最大瞳孔閉合到80％瞳孔所用時(shí)間；t2是眼睛80％瞳孔閉合到20％瞳孔所用時(shí)間；t3是眼睛20％瞳孔閉合到20％瞳孔睜開(kāi)所用時(shí)間；t4是眼睛20％瞳孔睜開(kāi)到80％瞳孔所用時(shí)間。我們要計(jì)算f的值需要知道眼睛的三個(gè)狀態(tài)：80％、20％、和100％瞳孔閉合的眼睛狀態(tài),而這三個(gè)狀態(tài)和我們檢測(cè)用的三個(gè)眼睛模板是一一對(duì)應(yīng)的。提取每一幀以后,經(jīng)過(guò)圖像處理就可得到眼睛的開(kāi)、閉狀態(tài)。這樣我們就可用滑動(dòng)時(shí)間窗來(lái)計(jì)算f的值進(jìn)而判斷眼睛的疲勞程度。

通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀的闡述說(shuō)明，在現(xiàn)有的學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，針對(duì)本文獲取的相關(guān)學(xué)習(xí)者眼動(dòng)數(shù)據(jù)，提出了基于眼動(dòng)數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行需求分析，實(shí)現(xiàn)根據(jù)眼動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)的窗口界面。并通過(guò)實(shí)際的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，對(duì)學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)的性能和功能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)現(xiàn)初步的設(shè)計(jì)需求，當(dāng)然基于眼動(dòng)儀的學(xué)習(xí)者疲勞監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)存在不少缺陷。希望在以后的工作中慢慢改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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