張 柱,付深圳,張麗娜,魯旭濤,王 英,高英姿

(1.浪潮電子信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，濟南 250014；2.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，太原 030051；3.中北大學(xué) 能源動力工程學(xué)院，太原 030051)

0 引言

我國作為一個近視大國，總近視人口在世界上位居第一，根據(jù)最新的衛(wèi)計委數(shù)據(jù)顯示，我國當(dāng)前的近視人口達到7億以上，兒童的近視率約14%，小學(xué)生的近視率約48%，初中生的近視率約73.6%，高中生的近視率高達85%。尤為重要的是，有超過50%的家長并不重視孩子視力問題，對于視力下降以及視力矯正等問題并未作出任何的補救措施，做一些專業(yè)的醫(yī)療救治的學(xué)生更是少之又少。因此，戴近視眼鏡的學(xué)生屢見不鮮。確保健康的閱讀時間、培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣以及創(chuàng)造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境顯得尤為重要。通過視力保護儀來避免長時間的讀寫，降低近視眼的發(fā)生率，減少青少年的身體損傷是當(dāng)前發(fā)展的必然趨勢。

對于此類問題的研究，主要集中于視力保護儀器設(shè)計和視力檢測的精度兩方面。對于視力保護設(shè)計方面，張文玥等人利用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)對LED臺燈進行光照度的自動調(diào)節(jié)，能在人體與臺燈距離小于25 cm時進行聲光報警[1]；胡景勤等人通過實時顯示距離和光強等參數(shù)來提示學(xué)生，達到調(diào)整坐姿的目的[2]。對于視力檢測的精度方面，主要通過智能算法來實現(xiàn)視力保護。王娟等人利用深度學(xué)習(xí)中Faster-RCNN來實現(xiàn)瞳孔檢測，利用特定的體征參數(shù)來計算出近視的程度，進而采取救治措施[3]；陳超等人根據(jù)用戶的喜好等參數(shù)，定制視覺設(shè)備并通過云端數(shù)據(jù)處理來增強視覺效果，進而保護視力[4]；文獻[5]采用AdaBoost算法和級聯(lián)方法用實測的數(shù)據(jù)計算出人的學(xué)習(xí)狀態(tài)[5]。綜合分析上述兩方面的研究，考慮的場景都比較單一，將視力監(jiān)測的精度加入智能視力保護儀中，提高保護效率。

本文針對視力保護系統(tǒng)的飛線性和時變性，設(shè)計了基于模糊控制的智能感控視力保護儀，通過豐富模糊控制規(guī)則來解決參數(shù)難調(diào)節(jié)的問題，進一步完善視力保護系統(tǒng)的控制性能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)的視力保護儀可以通過光照強度和距離等參數(shù)來實現(xiàn)實時的顯示、定時和無線通信。各個功能模塊之間互相協(xié)調(diào)，系統(tǒng)的控制策略通過軟件設(shè)計實現(xiàn)，系統(tǒng)的監(jiān)測和報警通過硬件設(shè)計來完成。通過傳感器技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)以及模糊控制智能算法等技術(shù)的融合來搭建智能感控視力保護平臺。智能感控視力保護儀的系統(tǒng)如圖1和圖2所示。

圖1 控制主機框圖

圖2 遙控器框圖

該視力保護儀能實現(xiàn)的具體的各部分功能：

1)微控制器部分：采用STM32單片機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理以及控制信號的輸出。

2)定位部分：采用步進電機和熱釋紅外傳感器，監(jiān)測使用者的使用狀態(tài)。通過步進電機的轉(zhuǎn)動驅(qū)動紅外傳感器來尋找使用者，當(dāng)檢測到有人靠近時，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給單片機，步進電機停止轉(zhuǎn)動。

3)步進電機驅(qū)動部分：本系統(tǒng)采用的型號為ULN2003來驅(qū)動電機，通過識別電源脈沖信號來旋轉(zhuǎn)一定的角度，進而帶動傳感器的感應(yīng)。

4)超聲波測距部分：超聲波測距是利用時間渡越法，根據(jù)超聲波的反射特性，測出超聲波的傳輸距離后再計算出障礙物與發(fā)射源的距離。在測量前要先減少溫度對速度的影響，降低誤差。

5)無線通信部分：通過無線收發(fā)模塊來實現(xiàn)遙控和主板之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

6)模數(shù)轉(zhuǎn)換部分：數(shù)模轉(zhuǎn)換主要用來處理光強傳感器采集的模擬數(shù)據(jù)量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換來得到單片機能夠識別的信息量。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控模塊的設(shè)計

微控制器是視力保護系統(tǒng)最主要的組成部分，要進行數(shù)據(jù)的傳輸和處理，需要將采集到的光強、距離以及溫濕度等數(shù)據(jù)進行分析并處理，從而控制儀器的使用狀態(tài)。

單片機包括三大總線：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線。四大單元：CPU 、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、定時/計數(shù)器。單片機的核心是CPU，控制著整個單片機主要有運算器、控制器，這兩個重要元素決定著CPU的主要性能，二者能夠?qū)崿F(xiàn)運算、控制等功能，可以進行一系列運算的數(shù)據(jù)運算，如邏輯運算、算術(shù)運算、數(shù)據(jù)傳送及位操作等，都是靠運算器來實現(xiàn)?？刂破髦饕菍纹瑱C工作起到一定的輔助作用，產(chǎn)生時序脈沖，為單片機提供限制電路信號等。

當(dāng)前的微控制器也可使用最傳統(tǒng)的8位單片機，但是其處理數(shù)據(jù)的速度和處理的數(shù)據(jù)量都有局限。因此采用實效性強、功耗低、易于開發(fā)的STM32處理器。

2.2 超聲波測距設(shè)計

超聲波測距通常采用渡越時間法，通過測量發(fā)射出去的超聲波和反射回的超聲波的時間來計算保護儀與障礙物之間的距離。超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板以及電極等組成。在電極兩端施以電壓，晶片就會發(fā)生形變，如果加上一定頻率的電壓，形變也會保持頻率，即發(fā)射出超聲波。時間渡越法的原理如圖3所示。

圖3 超聲波測距原理

設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為v，超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路中心距離的一半為L，需要測的保護儀與障礙物之間的距離為S，則:

其中:t為超聲波發(fā)出的時間與返回的時間差，微控制器記錄的時間，v為聲波在介質(zhì)中的傳播速率。

超聲波在空氣的傳播速度受溫度的影響較大，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時候，傳播速度v0一般為331.5 m/s。在正常室溫t下，超聲波的傳播速度為：

其中:r為相對濕度，Ps為某時刻的空氣飽和蒸氣壓，P為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強。

超聲波測距模塊的標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為5 V，工作電流為15 mA，工作頻率為40 Hz，最遠的射程可達到4 m。該模塊的具體電路如圖4所示。

圖4 超聲波測距模塊電路圖

2.3 光照強度檢測電路設(shè)計

光敏電阻、定值電阻、數(shù)模轉(zhuǎn)換器件以及電源構(gòu)成光照強度檢測電路。

通過光敏電阻的阻值大小反應(yīng)光照的強度。根據(jù)串聯(lián)分壓的原理，當(dāng)光強增大的時候，電阻里的電子被激發(fā)，光敏電阻的阻值減??；相反，當(dāng)光強較小時，阻值增大。檢測到的電阻值會通過固定引腳發(fā)送到芯片，再有數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出一個可識別的二進制數(shù)，即為當(dāng)前的電壓大小，進而推理光照的強弱。本設(shè)計使用的光照傳感器的光照強度計算公式：

N=0.467 5*(221-R)

其中:N為當(dāng)前光照強度，R為光敏電阻的阻值。在測得電阻值后，由CH0引腳把電阻值輸給芯片，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換器輸出一個8位二進制數(shù)，得到當(dāng)前電壓值。電路如圖5所示。

圖5 光照強度檢測模塊電路圖

2.4 無線通信模塊設(shè)計

本設(shè)計選用抗干擾能力強、功耗低、傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定的nRF24L01無線收發(fā)芯片來完成遙控器和主控制器之間的數(shù)據(jù)通信，收發(fā)頻率為2.4～2.5 GHz，能夠進行自動地應(yīng)答和重發(fā)等。遙控器可以對主控制器件設(shè)置時間，控制通斷，相反，主控制器也可以把溫濕度、距離以及光照強度等信息傳送給遙控器從而達到實時的數(shù)據(jù)傳輸與控制。具體電路如圖6所示。

圖6 無線收發(fā)模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計也是智能感控視力保護儀的重要部分，硬件的設(shè)計需要軟件的技術(shù)支持，合理的編程設(shè)計能夠更準(zhǔn)確的完成系統(tǒng)的功能。通過模塊化編程，將各個模塊獨立編寫，然后用工程整合后可以更方便地調(diào)試程序，方便后續(xù)軟件的修復(fù)和升級。主程序流程如圖7所示。

圖7 主流程圖

1)開始給系統(tǒng)上電，判斷系統(tǒng)的復(fù)位鍵是否按下，復(fù)位鍵按下，系統(tǒng)進行初始化。

2)系統(tǒng)初始化后，判斷學(xué)習(xí)鍵是否按下，按下學(xué)習(xí)鍵后，可以啟動系統(tǒng)的各個功能模塊，正常運行系統(tǒng)。

3)調(diào)用系統(tǒng)的功能模塊后，對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，進而完成設(shè)計功能。

4 系統(tǒng)智能算法設(shè)計

4.1 模糊控制系統(tǒng)模型

模糊控制器能夠通過操作者的經(jīng)驗來控制對象，不完全依靠被控對象的特點，采用IF-THRN的控制規(guī)則，參數(shù)的不便于調(diào)整，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性。自適應(yīng)模糊控制是集自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法的模糊控制器，利用操作者給的模糊信息來進行控制處理，對參數(shù)變化較大，不確定的系統(tǒng)有著重要的作用。模糊控制集合理論和模糊邏輯推理是模糊控制的基礎(chǔ)，模糊控制規(guī)則是核心，可以通過隸屬度函數(shù)來表現(xiàn)。隸屬度函數(shù)是人為定義的函數(shù)，具有連續(xù)可調(diào)的特點。具體形式分以下幾種，圖像分別如圖8(a)，(b)，(c)所示。

圖8 隸屬度函數(shù)圖像

1)三角形:

2)梯形:

3)高斯形：

A(x)=e-[(x-a)/σ]2,-∞

將采集到的光照強度和距離等參數(shù)進行模糊控制處理，通過模糊化分析、模糊控制規(guī)則建立以及反模糊控制來輸出定時時間參數(shù)。解模糊的幾種常見方式如下：

重心法:

最大隸屬度法:輸出最大的隸屬度的值。

系數(shù)加權(quán)平均法：

模糊控制仿真的具體操作是先將采集到的光照強度和距離作為輸入的模糊量，設(shè)計合理的模糊規(guī)則后輸出定時時間參數(shù)。具體的實現(xiàn)流程如圖9所示。

圖9 模糊控制流程圖

4.2 模糊控制器設(shè)計

1)輸入輸出變量論域。本文的控制器的輸入是光照強度L和檢測距離S兩個變量。輸出量是定時時間T。L的變化范圍為-3～3 lx；S的變化范圍為0～600 cm；T的時間變化范圍為0～60 min。

2)模糊語言及其量化論域。模糊控制的規(guī)則根據(jù)不同的輸入輸出的級別來確定，首先將輸入輸出3個變量進行等級定義，然后根據(jù)實際情況排列組合得到模糊控制規(guī)則。本文L的變化分為7個等級，從0～6；S的變化分為7個等級，從0～6；T的變化分為8個等級，從0～7。對應(yīng)的語言如表1所示。

表1 L、S、T的模糊語言變量

3)隸屬度函數(shù)。采用三角隸屬函數(shù)將輸入與模糊控制規(guī)則聯(lián)系起來，隸屬函數(shù)的形式會影響定時時間。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)結(jié)果如圖10～12所示。

圖10 L的隸屬度函數(shù)

圖11 S的隸屬度函數(shù)

4)規(guī)則表。模糊控制主要是通過設(shè)定好的控制規(guī)則來實現(xiàn)的，模糊控制規(guī)則作為模糊控制器的核心，在設(shè)計模糊控制規(guī)則的時候，不僅要根據(jù)理論知識推理還要借鑒一些實際經(jīng)驗。本文的輸入為7個等級，因此共有49個控制的規(guī)則組合，具體的模糊控制規(guī)則表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則表

4.3 仿真實驗

在Matlab的工具箱中設(shè)置模糊控制器，設(shè)置為雙輸入單輸出的控制器，并將輸入輸出變量的命名進行更改，設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖13 模糊控制器結(jié)構(gòu)

對模糊控制器的輸入和輸出函數(shù)的隸屬度進行編輯后，建立模糊控制規(guī)則，對本設(shè)計的49條控制規(guī)則逐一設(shè)置。模糊控制規(guī)則設(shè)計窗口如圖14所示。

圖14 模糊控制規(guī)則

在建立了模糊控制規(guī)則后，模糊控制系統(tǒng)建立完成，在模糊控制規(guī)則器中查看模糊規(guī)則推理，監(jiān)測模糊控制系統(tǒng)。具體的模糊控制規(guī)則觀測器如圖15所示。

圖15 模糊控制規(guī)則觀測器

模糊控制器建立完成后，設(shè)置x軸為光照強度，y軸為檢測距離，z軸為計算的定時時間。實際的輸出結(jié)果如圖16所示。

圖16 模糊控制結(jié)構(gòu)曲面圖

智能感控視力保護的智能算法經(jīng)過模糊控制仿真實驗表明，在檢測到任意一組光照強度和檢測距離時候，都可以通過嚴謹?shù)哪：刂埔?guī)則得到定時時間。如光照強度為2.15 lx，檢測距離為270 cm時，定時時間為57.1 min。

4.4 對比實驗

為了驗證上述模糊控制仿真實驗的隸屬度函數(shù)和模糊控制規(guī)則建立的完整性以及可靠性，本文采用自適應(yīng)模糊PID控制進行對比仿真實驗。該控制方式是一種線性控制，根據(jù)定值d(t)與實際的輸出值f(t)構(gòu)成誤差值d(t)-f(t)。本設(shè)計是在連續(xù)狀態(tài)下得出控制的時間。具體模型為：

PID控制過程是將誤差和誤差變化率作為輸出，通過模糊控制規(guī)則將模糊參數(shù)進行調(diào)整。經(jīng)過PID控制調(diào)整后的輸入輸出參數(shù)得出的模糊控制查看器如圖17所示。

圖17 調(diào)整后的模糊控制曲面圖

通過上述的對比實驗發(fā)現(xiàn)，在同一組輸入?yún)?shù)光照強度為2.15 lx，檢測距離為270 cm時，PID控制得到的定時時間為46.5 min。然而本系統(tǒng)采用的模糊控制規(guī)則使得定時時間增加了10.6 min，相對時間增大了18.563%，可以有效地為學(xué)生提供學(xué)習(xí)時間，保證良好的光照。經(jīng)過調(diào)整的定時時間更為集中，不符合實際情況。原模糊控制規(guī)則得出的定時時間更為精確，控制更加精準(zhǔn)。

5 系統(tǒng)測試

在對系統(tǒng)進行上電調(diào)試前，首先對系統(tǒng)的硬件部分進行仿真檢測，系統(tǒng)的硬件仿真也是一種建模形式，通過對實際的電路進行虛擬處理，用虛擬的電路對硬件設(shè)計進行電路分析與處理。本設(shè)計的系統(tǒng)測試將對每個功能模塊都進行電路仿真實驗，各個功能模塊要分開測試。通過仿真實驗的測試，可以判斷電路是否正常連通，功能模塊是否完整，以便進行后續(xù)的修復(fù)和完善。采用Proteus軟件進行仿真設(shè)計，其主要有以下優(yōu)點：可以智能設(shè)計電路原理圖，自動連線，可以減少繪圖時間；具有完備的仿真功能，仿真器件庫龐大，虛擬儀器豐富；特有的單片機協(xié)同仿真功能，可以進行實時仿真；PCB設(shè)計平臺合理，可以支持多種格式輸出。硬件測試無誤后，對系統(tǒng)進行上電調(diào)試。首先設(shè)置光照強度和檢測距離的閾值，將檢測距離的閾值設(shè)置為0.2 m，光照強度的變化閾值設(shè)置為10%，設(shè)置結(jié)果如圖18所示。

圖18 閾值顯示圖

點擊確認按鍵后，系統(tǒng)會根據(jù)當(dāng)前的光照強度以及檢測距離計算出定時時間，當(dāng)檢測具體顯示結(jié)果如圖19所示。

圖19 測試結(jié)果

經(jīng)測試，本設(shè)計的功能都可以完整的實現(xiàn)，各個功能模塊都能正常工作。

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)所設(shè)計的智能感控視力保護儀能夠完成定位、數(shù)據(jù)的采集、智能控制、數(shù)據(jù)的無線通信和數(shù)據(jù)的處理及顯示，還另外增加了模糊控制定時功能。最終實驗測試表明，相對于PID控制而言，相對時間可增加18%左右，此設(shè)備能夠精確地計算出定時時間，并對異常數(shù)據(jù)迅速做出反應(yīng)，具有實際的應(yīng)用價值，能廣泛應(yīng)用于生活中。