東華理工大學(xué)核應(yīng)用技術(shù)研究所 熊志輝 王仁波

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基于STM32的智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈設(shè)計(jì)

東華理工大學(xué)核應(yīng)用技術(shù)研究所 熊志輝 王仁波

【摘要】為了給青少年提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，預(yù)防近視﹑駝背，提高學(xué)習(xí)效率，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案采用STM32微控制器和LD3320可編程語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出了一款高端智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈。智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈采用了ASR可編程語(yǔ)音識(shí)別算法和NRF無(wú)線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了聲控和防近視功能；采用人工智能化創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，開(kāi)發(fā)出了GUI人機(jī)交互操控平臺(tái)。文中介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，給出了硬件電路設(shè)計(jì)方法，同時(shí)介紹了GUI軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】智能臺(tái)燈；語(yǔ)音識(shí)別；人機(jī)交互；STM32；NRF無(wú)線通訊

0　引言

隨著教育的發(fā)展，青少年學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)大﹑任務(wù)重，常常因環(huán)境光線昏暗﹑書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)不端正導(dǎo)致近視﹑駝背，嚴(yán)重影響青少年的身心健康。因此，開(kāi)發(fā)一款高端智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈對(duì)于預(yù)防近視﹑駝背，提高學(xué)習(xí)效率，有著十分重要的意義。

目前在智能臺(tái)燈研究領(lǐng)域，大都是通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)燈光亮度，不能靈活控制燈光色溫，沒(méi)有近視矯正功能，因而對(duì)眼睛帶來(lái)不良影響，容易導(dǎo)致近視﹑駝背。本文設(shè)計(jì)了基于STM32的智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈，以應(yīng)用理論研究為基礎(chǔ)，以技術(shù)研發(fā)為手段，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)燈光亮度和色溫，防近視語(yǔ)音提醒，擁有強(qiáng)大的鬧鐘管理，提供合理的作息安排，還有音樂(lè)功能，緩解學(xué)習(xí)壓力。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈的系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由STM32F103微處理器﹑觸控液晶彩屏﹑LD3320語(yǔ)音識(shí)別﹑系統(tǒng)電源控制﹑超聲波防近視監(jiān)測(cè)﹑NRF無(wú)線傳輸﹑音樂(lè)播放系統(tǒng)﹑燈光控制組件和多路系統(tǒng)電源構(gòu)成。智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈采用PWM數(shù)字調(diào)光和人體紅外感應(yīng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燈光亮度﹑色溫和模式調(diào)節(jié)；采用ASR可編程語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，對(duì)語(yǔ)音指令進(jìn)行編碼后，由STM32主控制器對(duì)其解析，實(shí)現(xiàn)人工智能控制。防近視監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)監(jiān)測(cè)，通過(guò)NRF無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)發(fā)送主機(jī)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)校正青少年書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)。

圖1　智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　燈光控制電路設(shè)計(jì)

為了滿足青少年對(duì)燈光的不同需求，燈光控制設(shè)計(jì)要求達(dá)到燈光亮度﹑燈光色溫調(diào)節(jié)以及燈光模式設(shè)置，達(dá)到最佳的照明效果。LED調(diào)光控制方案有兩種：一是線性模擬調(diào)光，二是PWM數(shù)字調(diào)光。采用線性模擬調(diào)光時(shí)，LED光的特性要隨著平均驅(qū)動(dòng)電流而偏移，LED發(fā)出的主波長(zhǎng)會(huì)改變，其相關(guān)色溫也會(huì)改變，不符合設(shè)計(jì)要求。而采用PWM數(shù)字調(diào)光時(shí)，則保證了LED亮度和色溫符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，并可以提高輸出電流精度。

燈光控制方案采用PWM數(shù)字調(diào)光，主要由暖色和白色LED燈珠﹑光耦PC817﹑MOS功率管IRF9530和調(diào)理電阻組成，通過(guò)MCU控制器控制輸出PWM頻率來(lái)調(diào)節(jié)LED燈光亮度和燈光色溫。燈光控制電路如圖2所示。

圖2　燈光控制電路

3　系統(tǒng)電源控制電路設(shè)計(jì)

電源控制模塊包括按鍵觸摸電路和電源軟啟動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電源軟開(kāi)啟與關(guān)閉，該電路結(jié)構(gòu)主要由組合邏輯電路﹑光電耦合電路﹑MOSFET場(chǎng)效應(yīng)功率管以及電容觸控電路構(gòu)成。觸摸按鍵后，觸摸芯片產(chǎn)生觸摸輸出信號(hào)，經(jīng)組合邏輯電路過(guò)濾干擾信號(hào)后，輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，控制系統(tǒng)電源的開(kāi)啟，系統(tǒng)上電后，則由微控制器控制系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)信號(hào)。電源控制電路如圖3所示。

圖3　電源控制電路

4　音頻解碼功放電路設(shè)計(jì)

智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈有鬧鐘報(bào)時(shí)，音樂(lè)播放功能。音頻播放器采用硬件解碼方式，降低開(kāi)發(fā)難度，只需對(duì)解碼芯片發(fā)送操作指令即可。系統(tǒng)采用PAM8403集成功放芯片作為音頻放大器，并設(shè)計(jì)了功放電源控制電路。音頻功放控制電路如圖4所示。

圖4　音頻功放控制電路

5　軟件設(shè)計(jì)

智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要包括GUI人機(jī)交互界面控制軟件﹑API中間層接口軟件﹑各個(gè)硬件設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)，其中GUI交互式界面菜單包括燈光模式﹑燈光色溫﹑燈光亮度﹑音樂(lè)播放﹑音量調(diào)節(jié)﹑鬧鐘設(shè)置﹑時(shí)間設(shè)置﹑眼保健擦﹑系統(tǒng)設(shè)置和幫助查詢(xún)。

圖5　智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.1燈光亮度﹑色溫和模式調(diào)節(jié)

燈光亮度調(diào)節(jié)和色溫調(diào)節(jié)各分10級(jí)，選中燈光亮度調(diào)節(jié)菜單可以調(diào)節(jié)燈光亮度，級(jí)數(shù)越大，燈光亮度就越高。選中燈光色溫調(diào)節(jié)菜單可以調(diào)節(jié)燈光色溫，級(jí)數(shù)越大，燈光色溫就越高。色溫級(jí)數(shù)為負(fù)，表示燈光色溫偏低，即燈光顏色偏暖；色溫級(jí)數(shù)為正，表示燈光色溫偏高，即燈光顏色偏冷。

智能燈光控制系統(tǒng)提供八種燈光情景模式：閱讀﹑書(shū)寫(xiě)﹑電影﹑游戲﹑辦公﹑夜間﹑臥室和自定義。用戶(hù)可根據(jù)當(dāng)前環(huán)境場(chǎng)合選擇合適的燈光情景照明模式，再結(jié)合人體紅外感應(yīng)和超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了燈光智能開(kāi)關(guān)控制功能。

圖6　防近視監(jiān)測(cè)控制流程

5.2語(yǔ)音識(shí)別

為了實(shí)現(xiàn)“傻瓜式”的便捷操作目的，智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈采用ASR可編程語(yǔ)音識(shí)別控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)燈光開(kāi)關(guān)﹑亮度調(diào)節(jié)﹑色溫調(diào)節(jié)﹑燈光模式設(shè)置以及音樂(lè)播放控制。

LD3320是一顆基于非特定人語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的聲控芯片，可把人的語(yǔ)音轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音控制命令。ASR語(yǔ)音識(shí)別工作原理：在每次識(shí)別過(guò)程中，就是把用戶(hù)說(shuō)出的語(yǔ)音內(nèi)容，通過(guò)頻譜轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音特征，再和這個(gè)關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中的條目進(jìn)行一一匹配，最優(yōu)匹配的一條作為識(shí)別結(jié)果。處理器對(duì)該識(shí)別結(jié)果進(jìn)行解析并執(zhí)行功能控制。

5.3防近視監(jiān)測(cè)

為了達(dá)到全方位護(hù)眼效果，防止青少年形成駝背，本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了防近視檢測(cè)系統(tǒng)。防近視檢測(cè)系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)青少年書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理后，再通過(guò)NRF無(wú)線傳輸設(shè)備將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)。若書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)不端正，主機(jī)會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提醒，實(shí)時(shí)提醒青少年糾正書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)，達(dá)到防止青少年形成駝背﹑預(yù)防近視的目的。防近視監(jiān)測(cè)控制流程如圖6所示。

6　系統(tǒng)測(cè)試

按照系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目完成系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，采用實(shí)驗(yàn)分析測(cè)試法，調(diào)試修改電路，校準(zhǔn)電路參數(shù)，并開(kāi)發(fā)出了GUI交互式應(yīng)用軟件，對(duì)應(yīng)用軟件調(diào)試優(yōu)化。基于SMT32的智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈電路設(shè)計(jì)與實(shí)物演示如圖7所示。

圖7　智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈實(shí)物圖

7　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)端正書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)問(wèn)題，為青少年提供良好的書(shū)寫(xiě)環(huán)境為目標(biāo)。智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈設(shè)計(jì)方案獨(dú)具創(chuàng)新，它以人機(jī)交互操控為主，以語(yǔ)音識(shí)別控制為輔，實(shí)現(xiàn)了人工智能化控制。它能給青少年?duì)I造良好的書(shū)寫(xiě)環(huán)境，實(shí)時(shí)提醒青少年端正書(shū)寫(xiě)姿勢(shì)，緩解青少年學(xué)習(xí)壓力，預(yù)防近視﹑駝背，有利于青少年身心健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]梁計(jì)鋒,劉瑞妮,尤國(guó)強(qiáng).智能護(hù)眼臺(tái)燈電路的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工,2015,20:155-157.

[2]田軍委,肖清林,張波,馬林,肖晨光.智能護(hù)眼臺(tái)燈設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,17:161-163.

[3]陳喜春.基于LD3320語(yǔ)音識(shí)別專(zhuān)用芯片實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音控制[J].電子技術(shù),2011,11:20-21.

[4]馬躍坤,應(yīng)時(shí)彥,楊文君,肖林榮.基于nRF24LE1的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,06:666-672.

[5]田立東,周繼軍,秦會(huì)斌.PWM調(diào)光LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程,2012,04:465-468.

熊志輝（1988－），男，江西南昌人，東華理工大學(xué)碩士研究生，從事數(shù)字電路設(shè)計(jì)﹑智能核儀器研究。

作者簡(jiǎn)介：

基金項(xiàng)目：本項(xiàng)目由東華理工大學(xué)研究生創(chuàng)新資金資助（YC2015-S276）。