廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 胡應(yīng)坤 張 萍 賴 健

目前市場上已有的智能臺(tái)燈功能相對單一，已有的坐姿糾正檢測誤報(bào)率比較高且安裝不便，實(shí)用性不強(qiáng)。本設(shè)計(jì)集合了人體感應(yīng)檢測，低頭坐姿檢測，手動(dòng)、自動(dòng)、夜燈三種模式切換，OLED顯示功能，手機(jī)APP監(jiān)控調(diào)節(jié)多種功能于一體。調(diào)試結(jié)果表明，本智能臺(tái)燈為使用者帶來一個(gè)適宜舒適的照明環(huán)境，同時(shí)起到保護(hù)視力，促使養(yǎng)成良好坐姿習(xí)慣的作用，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

隨著科技的發(fā)展，智能產(chǎn)品滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，臺(tái)燈已是千家萬戶的必須生活用品，在光線不足的情況下為人們補(bǔ)充適當(dāng)光線，這就是傳統(tǒng)臺(tái)燈的基本功能。但隨著人們生活水平的提高，臺(tái)燈的功能不僅僅滿足于普通的照明。近年來，青少年中近視的發(fā)病率逐年上升。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)近視的學(xué)生中80%左右是家里或者學(xué)校的照明條件不符合照明用眼標(biāo)準(zhǔn)；90%中小學(xué)生寫作業(yè)時(shí)坐姿不規(guī)范，經(jīng)常性近距離閱讀、趴著看書學(xué)習(xí)等等，時(shí)間長了很容易導(dǎo)致近視、腰肢勞損等疾病，基于以上調(diào)查，本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款坐姿糾正與人體感應(yīng)的智能臺(tái)燈。

本作品以目前應(yīng)用非常廣泛、高性價(jià)比的STM32f407微處理器作為主控制器，結(jié)合按鍵檢測技術(shù)、紅外檢測技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、NRF無線通信、語音交互、串口通信技術(shù)、spi總線通信技術(shù)、OLED顯示、人體感應(yīng)、PWM調(diào)節(jié)、光照度傳感器、溫濕度傳感器等技術(shù)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)的一款坐姿糾正與人體感應(yīng)的智能臺(tái)燈。

整個(gè)智能臺(tái)燈分成臺(tái)燈主體和低頭檢測支柱兩大部分，兩部分通過NRF無線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，省去了有線連接的麻煩。臺(tái)燈主體分成底座和燈板兩部分，兩邊的低頭檢測支柱安裝有紅外對管，用于檢測使用者是否低頭彎腰，并可通過臺(tái)燈底座的按鍵選擇低頭報(bào)警高度閾值，兩邊支柱采用可調(diào)節(jié)的固定夾固定住，最寬距離可達(dá)到3m。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基本思路

整個(gè)智能臺(tái)燈硬件系統(tǒng)分成臺(tái)燈主體和低頭檢測兩部分，通過NRF無線通信實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互。

1.1 臺(tái)燈主體硬件框架和實(shí)現(xiàn)原理分析

如圖1是臺(tái)燈主體硬件電路框圖。電源電路分為鋰電池充放電電源管理、電源穩(wěn)壓兩個(gè)主要部分。采取USB供電方式時(shí)，在向電路供電同時(shí)也向鋰電池充電。當(dāng)沒有外接USB供電時(shí)，采取鋰電池供電。穩(wěn)壓電路主要是將USB的5V電源通過降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)?.3V供給電路。溫濕度傳感器檢測當(dāng)前環(huán)境下的溫濕度并顯示在臺(tái)燈OLED顯示屏上。人體紅外感應(yīng)模塊檢測燈前是否有人，做到人走燈自動(dòng)關(guān)閉、有人自動(dòng)開啟，節(jié)省電能。光敏傳感器用于臺(tái)燈自動(dòng)模式下采集當(dāng)前環(huán)境亮度，并反饋給主處理器使得臺(tái)燈亮度自動(dòng)改變。亮度、色溫2個(gè)按鍵用于手動(dòng)模式調(diào)節(jié)亮度和色溫。模式切換按鍵用于循環(huán)切換臺(tái)燈的自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、夜燈模式。低頭距離調(diào)節(jié)按鍵用于設(shè)定低頭檢測的報(bào)警距離閾值，檢測是否低頭和彎腰駝背，確保使用者保持正確的坐姿。語音模塊通過串口接收主處理器的詞條，播報(bào)相應(yīng)的語音提醒。采用PWM無極調(diào)壓方式調(diào)節(jié)LED燈亮度和色溫，達(dá)到適宜的工作學(xué)習(xí)燈光環(huán)境。NRF無線通信模塊與低頭檢測主板進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的交互。OLED顯示屏用于實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前溫度、濕度、模式以及當(dāng)前時(shí)間。自主設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈手機(jī)APP通過藍(lán)牙與主處理器實(shí)現(xiàn)命令和數(shù)據(jù)的交互。

圖1 臺(tái)燈主體硬件電路框圖

1.2 臺(tái)燈低頭檢測主板硬件框架和實(shí)現(xiàn)原理分析

如圖2所示為臺(tái)燈低頭檢測主板硬件電路框圖。低頭檢測主板與臺(tái)燈主板利用NRF24L01實(shí)現(xiàn)無線通信，接收臺(tái)燈主板發(fā)送的按鍵命令，從而激活對應(yīng)的激光二極管發(fā)光和相應(yīng)的紅外接收器，如果使用者低頭，則擋住了紅外接收器，處理器把觸發(fā)信號通過NRF無線通信傳送到臺(tái)燈主體，臺(tái)燈主處理器開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，如果超過6s仍然接收到低頭檢測信號，則自動(dòng)關(guān)閉燈光，并發(fā)出語音提醒：“臺(tái)燈已關(guān)閉，請注意坐姿”。如果使用者端正好坐姿抬頭后，則主處理器恢復(fù)開啟燈光。讓使用者時(shí)刻保持良好的坐姿和抬頭姿勢。當(dāng)然，如果使用者不想使用此功能，可關(guān)閉低頭檢測主板的電源開關(guān)，或者采用手機(jī)APP遙控關(guān)閉。

圖2 臺(tái)燈低頭檢測主板硬件電路框圖

2 程序設(shè)計(jì)流程分析

臺(tái)燈主體的程序設(shè)計(jì)的編譯環(huán)境采用MDK5.25，采用C語言編寫程序。

2.1 臺(tái)燈主體程序分析

程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示。臺(tái)燈接上電源后，系統(tǒng)各部分復(fù)位初始化，包括如下模塊：臺(tái)燈主體主芯片、溫濕度傳感器、人體感應(yīng)傳感器、光敏傳感器、4個(gè)按鍵、語音模塊、PWM控制、NRF無線通信模塊、OLED顯示屏。

圖3 臺(tái)燈主體程序設(shè)計(jì)流程

程序化完畢后，臺(tái)燈會(huì)發(fā)出語音提示：“歡迎使用防近視智能臺(tái)燈”，并顯示當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，然后進(jìn)入while(1)循環(huán)，判斷模式切換按鍵是否按下，如果按下則改變變量i的值，如果i=1則啟動(dòng)自動(dòng)模式，如果i=2則啟動(dòng)手動(dòng)模式，如果i=3則啟動(dòng)夜燈模式，沒按下則默認(rèn)模式是自動(dòng)模式。每選擇一種模式都有相應(yīng)的語音提醒。下面分別描述3種模式和兩個(gè)子程序模塊的工作過程。

（1）自動(dòng)模式

首先讀取環(huán)境的亮度值和溫度，然后根據(jù)設(shè)定的規(guī)則自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度和色溫，環(huán)境光線越亮臺(tái)燈則變暗。環(huán)境溫度越高，則色溫越低，環(huán)境溫度越低，則色溫越高。調(diào)節(jié)完畢進(jìn)入檢測周圍是否有人的子程序。

（2）手動(dòng)模式

如果亮度調(diào)節(jié)按鍵按下，則亮度逐漸變亮，到最亮后，又從最暗開始逐漸變亮，如此循環(huán)往復(fù)；如果色溫調(diào)節(jié)按鍵按下，則色溫逐漸變高，到最高后，又從最低開始逐漸變高，如此循環(huán)往復(fù)；調(diào)節(jié)完畢或者無按鍵按下則進(jìn)入檢測周圍是否有人的子程序。

（3）夜燈模式

已經(jīng)在程序設(shè)置了一個(gè)固定的低亮度值和柔和的色溫值，不可手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，關(guān)閉了檢測周圍是否有人和低頭檢測功能。此模式可以替代夜光燈使用，省去了單獨(dú)購買的麻煩。

（4）檢測周圍是否有人的子程序

判斷臺(tái)燈周圍是否有人，如果沒人，則啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)60s后，如果周圍還是沒人，則自動(dòng)關(guān)閉臺(tái)燈，但如果檢測到有人，則會(huì)自動(dòng)打開臺(tái)燈，并保持關(guān)閉之前的亮度和色溫。如果有人則轉(zhuǎn)到執(zhí)行低頭檢測的子程序。

（5）低頭檢測的子程序

如果檢測到人體坐姿不正確，語音提醒：“你的坐姿不對了，請注意抬頭挺胸”，并啟動(dòng)定時(shí)器定時(shí)6s后，如果繼續(xù)檢測到低頭，則自動(dòng)關(guān)閉臺(tái)燈，并語音提醒：“臺(tái)燈已關(guān)閉，請注意坐姿”，如果恢復(fù)正確坐姿，則打開臺(tái)燈，保持關(guān)閉之前的亮度和色溫。如果人體坐姿正確，則保持臺(tái)燈的亮度和色溫值不變，并再次進(jìn)入判斷臺(tái)燈模式的循環(huán)監(jiān)測。

2.2 臺(tái)燈低頭檢測主板程序分析

如圖4所示為臺(tái)燈低頭檢測程序設(shè)計(jì)流程圖。臺(tái)燈低頭檢測主板同樣在通電后進(jìn)行主芯片的初始化、激光二極管和紅外接收對管相應(yīng)IO引腳的初始化、并把紅外接收管的信號引腳設(shè)置為外部中斷、NRF無線通信模塊的初始化，初始化完成之后不斷查詢臺(tái)燈主板是否發(fā)送新的按鍵值命令過來，有則使能相應(yīng)的激光二極管和紅外接收管。如果發(fā)生相應(yīng)的外部中斷，則可判斷使用者低頭距離低于報(bào)警閾值，并把此標(biāo)志位發(fā)送給臺(tái)燈主板。

圖4 臺(tái)燈低頭檢測程序設(shè)計(jì)流程圖

2.3 智能臺(tái)燈手機(jī)APP設(shè)計(jì)分析

手機(jī)端APP采用Android集成開發(fā)環(huán)境的JAVA語言實(shí)現(xiàn)，顯示控制界面能夠?qū)崿F(xiàn)臺(tái)燈的打開和關(guān)閉、模式選擇、手動(dòng)模式下臺(tái)燈亮度和色溫調(diào)節(jié)等。

3 智能臺(tái)燈制作實(shí)物調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)已經(jīng)制作出實(shí)物，其使用場景能夠?qū)崿F(xiàn)三種模式切換。在自動(dòng)模式下能自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度和色溫，手動(dòng)模式下通過按鍵或者手機(jī)APP能調(diào)節(jié)亮度和色溫，夜燈模式能以固定的低亮度和色溫呈現(xiàn)。能自動(dòng)感應(yīng)周圍是否有人，四個(gè)檔位的低頭檢測距離報(bào)警閾值都能實(shí)現(xiàn)，語音提醒功能正常，OLED屏幕能正常顯示當(dāng)前的溫濕度和時(shí)間、模式等功能。