程 慧，孫納新，鄭晶晶，霍柄良

（武警后勤學(xué)院基礎(chǔ)部信息技術(shù)教研室，天津300309）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展和電子產(chǎn)品的長時(shí)間使用，人們用眼的時(shí)間也越來越長[1]。2016 年《國民視覺健康》白皮書發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2012 年我國5 歲以上人群中，約有5 億人患有各種視覺障礙，其中近視患者總數(shù)達(dá)到4.5 億左右。如果沒有有效的措施干預(yù)，到2020 年，中國5 歲以上人群近視患病率將提高至51%左右，近視人數(shù)也將達(dá)到近7 億。現(xiàn)有市場上的護(hù)眼方式可以分為2 類：一類偏向治療方向，比如口服藥[2]、按摩儀[3]、近視矯正手術(shù)等；另一類偏向緩解方向，比如護(hù)眼燈、護(hù)眼眼貼、眼藥水等。但是這些護(hù)眼方式主要針對視后緩解用眼過程中的疲勞及對近視的治療，不能從根本上解決用眼習(xí)慣不正確導(dǎo)致的近視問題。

目前，隨著科技水平的進(jìn)步，測距手段和方式越來越豐富，主要有微波測距、激光測距、輻射測距、超聲波測距等。而超聲波測距因其安全性、穩(wěn)定性被更多的測距產(chǎn)品所使用，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)之中，但與藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合實(shí)時(shí)進(jìn)行視力保護(hù)和預(yù)防的產(chǎn)品卻很少。因此，本文從預(yù)防近視的根源出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的護(hù)眼測距眼鏡，同時(shí)與手機(jī)Android 系統(tǒng)的App 相連接，通過測距及實(shí)時(shí)提醒，從根源上來幫助用戶矯正用眼習(xí)慣，保護(hù)視力。

1 設(shè)計(jì)思路

近視形成的主要原因之一是長時(shí)間、近距離地使用眼睛，導(dǎo)致眼球中睫狀肌失去彈性，從而影響晶狀體正?；謴?fù)[4]。睫狀肌是眼睛中可以改變晶狀體形狀，以調(diào)節(jié)物品對焦距離的肌肉組織。長時(shí)間、近距離用眼容易使睫狀肌缺乏鍛煉，導(dǎo)致持續(xù)緊張或痙攣而失去靈活的自我調(diào)節(jié)能力，引發(fā)近視[5]。因此，減少近距離用眼是預(yù)防近視發(fā)生的重要手段。當(dāng)書本與眼睛的距離長時(shí)間處于10 cm 以下時(shí)，就會(huì)使得眼睛的自我調(diào)節(jié)異常緊張，從而形成近視。所以在日常的工作、學(xué)習(xí)中，需要且有必要實(shí)時(shí)了解眼睛與書本之間的距離，及時(shí)調(diào)整用眼姿勢，養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣，從而降低近視的發(fā)生率。

針對人們對自身用眼距離的檢測需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能護(hù)眼測距眼鏡，主要采用STC89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)主控單元，通過超聲波測距模塊測量距離數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至手機(jī)端App，從而作出提醒和數(shù)據(jù)分析。該眼鏡可以實(shí)時(shí)記錄采集的數(shù)據(jù)，并對距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)用戶獲得自身的數(shù)據(jù)后便可以采取相應(yīng)的措施調(diào)整用眼習(xí)慣。智能護(hù)眼測距眼鏡示意圖如圖1 所示。

圖1 智能護(hù)眼測距眼鏡

2 測距原理

智能護(hù)眼測距眼鏡主要使用超聲波測距技術(shù)，核心是在單片機(jī)上開發(fā)測距系統(tǒng)，使得智能眼鏡具有測距與報(bào)警的功能。基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的工作原理是利用超聲波發(fā)射器進(jìn)行超聲波發(fā)射，并進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波遇到書本等物品時(shí)發(fā)生反射，記錄反射的回波到達(dá)超聲波發(fā)射器的時(shí)間t，則可得出智能眼鏡與書本之間的距離為H=340t/2。超聲波在穩(wěn)定的溫度狀態(tài)下速度保持為常數(shù)，因此，能夠保證距離測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 功能設(shè)計(jì)

智能護(hù)眼測距眼鏡主要具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、數(shù)據(jù)回顧、智能分析、知識(shí)科普、互動(dòng)分享等功能。

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測。使用超聲波測距模塊測量距離數(shù)值，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在App 中顯示，用戶可以隨時(shí)隨地查看。并且當(dāng)連續(xù)10 次測量值的數(shù)據(jù)都在紅線以下時(shí)，App 會(huì)彈出推送窗口，同時(shí)觸發(fā)手機(jī)振動(dòng)，提示用戶調(diào)整眼鏡與書本等物品之間的距離。

（2）數(shù)據(jù)回顧。超聲波測距模塊將收集到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙串口模塊傳送至手機(jī)App 端，以折線圖的形式展現(xiàn)在App 中，用戶可以在折線圖上查看一段時(shí)間內(nèi)的測量值，了解這段時(shí)間的用眼習(xí)慣。同時(shí)設(shè)計(jì)了一條紅線，紅線以下的數(shù)據(jù)是非健康的用眼習(xí)慣數(shù)據(jù)，紅線以上是健康用眼習(xí)慣數(shù)據(jù)。

（3）智能分析。將測量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類，分為健康數(shù)據(jù)和非健康數(shù)據(jù)。健康數(shù)據(jù)所占數(shù)據(jù)總數(shù)量的百分比作為當(dāng)日評分，健康數(shù)據(jù)與非健康數(shù)據(jù)的比例關(guān)系以圓餅圖的形式展現(xiàn)在App 上，并按照分值給予合理化建議。

（4）知識(shí)科普。收集和整理與用眼健康有關(guān)的科普文章加入到“知識(shí)”標(biāo)簽中，并定期進(jìn)行補(bǔ)充和更新。

（5）互動(dòng)分享。為增加用戶體驗(yàn)，在分析界面的右上角加入了分享按鈕，允許用戶把當(dāng)日用眼評分分享給微信好友，發(fā)布到朋友圈、微博等社交平臺(tái)，增強(qiáng)用戶之間的互動(dòng)性，增加應(yīng)用程序的趣味性。

4 具體設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

智能護(hù)眼測距眼鏡硬件主要由STC89C51 單片機(jī)、超聲波測距模塊、藍(lán)牙串口模塊組成。

STC89C51 是一款基于8 位核心處理芯片STC89-C51RC 的單片機(jī)系統(tǒng)[6]，供電電壓為3.8～5.5 V，同時(shí)具有4 KB 的FLASH 存儲(chǔ)器與512 B 的內(nèi)部存儲(chǔ)器。其集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)，比如UART（universal asynchronous receiver/transmitter）通用異步通信口、定時(shí)器、PDIP（plastic dual in-line package）引腳等，具有速度快、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。STC89C51 單片機(jī)完整電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)電路圖

超聲波測距模塊電壓為DC 5 V，采用VCC、TRIG（脈沖觸發(fā)引腳）、ECHO（回波引腳）、GND 的接線方式，可探測距離為2～450 cm[7]，感應(yīng)角度不大于15°。采用渡越時(shí)間（time of flight，TOF）法發(fā)射換能器啟動(dòng)后，向某一方向發(fā)送超聲波，同時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)。超聲波在傳輸過程中遇到障礙物會(huì)被反射，接收換能器接收反射回的超聲波并停止計(jì)時(shí)。在實(shí)際運(yùn)用中，該模塊采用IO 口觸發(fā)測距，賦予至少10 μs的高電平信號(hào)。該模塊自動(dòng)發(fā)送8 個(gè)40 kHz 的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回。若有信號(hào)返回，通過IO 口ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間[8]，從而得出測試距離為高電平的時(shí)間與超聲波傳播速度（340 m/s）乘積的一半。超聲波測距模塊原理圖如圖3 所示。

鑒于目前藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)體系框架中的核心技術(shù)，藍(lán)牙串口模塊采用以藍(lán)牙V2.0 協(xié)議為主體的芯片。其工作電壓為3.6～6 V，默認(rèn)波特率為9 600 bit/s。在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用支持Android 系統(tǒng)的開源組件Bluetoothspp。該模塊采用單微控制器模式，即藍(lán)牙底層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議以及用戶應(yīng)用程序都集成到該模塊中，整個(gè)處理過程由該模塊中的微處理器來實(shí)現(xiàn)[9]。

圖3 超聲波測距模塊原理圖

4.2 軟件設(shè)計(jì)

考慮到C 語言在復(fù)雜算法的使用中有很高的優(yōu)勢，因此測距軟件部分采用C 語言編程。之后使用STC-ISP 軟件將單片機(jī)程序燒寫進(jìn)單片機(jī)中。App的開發(fā)采用Android Studio IDE 開發(fā)環(huán)境，將Java 語言作為主要編程語言。該開發(fā)環(huán)境對UI 界面設(shè)計(jì)和編寫代碼更加友好。

4.2.1 App 軟件程序設(shè)計(jì)

超聲波測距模塊測量距離并將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后通過藍(lán)牙串口模塊發(fā)送至App端。App 端接收數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果距離低于10 cm，則調(diào)用Object 函數(shù)，觸發(fā)手機(jī)振動(dòng)，同時(shí)出現(xiàn)提示對話框，提醒用戶注意調(diào)整用眼距離。App 軟件程序設(shè)計(jì)的流程如圖4 所示。

圖4 App 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

4.2.2 單片機(jī)測距程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)測距程序啟動(dòng)超聲波測距模塊測量距離，利用單片機(jī)發(fā)送聲波、監(jiān)測發(fā)射和接收信號(hào)，并以cm 為單位，計(jì)算發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間間隔，結(jié)合超聲波傳播速度從而得出距離。為防止距離過遠(yuǎn)和重新開始測距，主要設(shè)計(jì)T0、T1 2 個(gè)中斷參數(shù)來控制中斷系統(tǒng)。若測試距離過遠(yuǎn)，則打開T0中斷，提示溢出；T1 中斷參數(shù)用來控制每次測量之間的時(shí)間間隔，設(shè)置800 ms 開始下一次測量。

4.2.3 調(diào)用數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙串口模塊在啟動(dòng)之后一直處于隨時(shí)偵聽、建立連接狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)啟動(dòng)超聲波測距模塊測量數(shù)據(jù)之后，由該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。該模塊設(shè)計(jì)每3 s讀取一次藍(lán)牙數(shù)據(jù)，每5 s 接收一次數(shù)據(jù)。

5 性能測試

選擇一名測試者對智能護(hù)眼測距眼鏡進(jìn)行性能測試。在測試者保持與書本不同距離下來測試該眼鏡的準(zhǔn)確性。根據(jù)該眼鏡預(yù)期達(dá)到的效果進(jìn)行以下測試：

（1）測試者與書本的距離小于5 cm 或大于50 cm，程序丟棄該數(shù)據(jù)且不顯示。因?yàn)闇y試距離太短或太長，使用者可以很直觀地感受到距離的遠(yuǎn)近，從而調(diào)整用眼距離。

（2）測試者與書本的距離為5～50 cm，觀察手機(jī)App 數(shù)據(jù)顯示和變化，并多次記錄，對比其誤差值。該環(huán)境為測試的核心部分，因此采用在同一顯示距離下分別測量10 次實(shí)際距離的方式來進(jìn)行測試。

采用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入與分析，實(shí)際距離數(shù)據(jù)以xˉ±s 表示，使用單樣本t 檢驗(yàn)，P＞0.05 表示顯示距離和實(shí)際距離差異不顯著，智能護(hù)眼測距眼鏡具有一定的準(zhǔn)確性。結(jié)果見表1。圖5 為手機(jī)App 顯示距離頁面，圖6 為連續(xù)10 次測試結(jié)果小于10 cm 時(shí)手機(jī)App 提示界面。

表1 顯示距離與實(shí)際距離對比cm

圖5 顯示距離界面

圖6 提醒界面

從測試結(jié)果可以看出，智能護(hù)眼測距眼鏡測試誤差在3 mm 之內(nèi)，在功能上可以滿足實(shí)時(shí)測量距離的要求，幫助用戶矯正用眼習(xí)慣，降低近視的發(fā)生率。經(jīng)過一段時(shí)間的模擬試用，該智能護(hù)眼測距眼鏡穩(wěn)定性良好、距離測試準(zhǔn)確、提醒及時(shí)，非常適合對護(hù)眼有需求的用戶。

6 結(jié)語

本文主要針對的是眼鏡與書本之間的距離，通過App 實(shí)時(shí)提醒并監(jiān)測距離達(dá)到防止近視的目的。通過試驗(yàn)，該智能護(hù)眼測距眼鏡能夠?qū)崿F(xiàn)在用戶坐姿異常、距離過近時(shí)實(shí)時(shí)提醒的目的。在調(diào)試的過程中，該眼鏡能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，通過超聲波測距模塊較為準(zhǔn)確地獲取距離數(shù)據(jù)，并發(fā)送至手機(jī)App，對于預(yù)防近視有一定的實(shí)用價(jià)值。

但是在使用過程中，產(chǎn)品互動(dòng)性還需要進(jìn)一步提高，比如可以通過增加用戶系統(tǒng)，允許用戶通過賬號(hào)、密碼登錄，設(shè)置個(gè)性化軟件來增加趣味性。另外，在測試準(zhǔn)確性方面，溫度會(huì)對超聲波的傳播速度有一定的影響。該眼鏡使用的環(huán)境一般為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度也比較穩(wěn)定，因此在護(hù)眼眼鏡設(shè)計(jì)時(shí)，采用超聲波的傳播速度（340 m/s）計(jì)算距離。為了保證該眼鏡在不同的溫度和環(huán)境下都能夠正常運(yùn)行，在電路設(shè)計(jì)中需要添加溫度感應(yīng)和檢測電路，根據(jù)實(shí)測溫度來計(jì)算超聲波實(shí)時(shí)的傳播速度（其速度計(jì)算公式為C=331.45+0.6T[10]，其中，C 為超聲波實(shí)時(shí)的傳播速度，T 為溫度）來確保該眼鏡測試的精度。另外，該眼鏡目前設(shè)計(jì)為工業(yè)原型機(jī)，在大規(guī)模生產(chǎn)中可以采用集成電路來完成整體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用小型鋰電池供電，從而減小其尺寸和質(zhì)量，方便市場推廣。