王紅娟，陶葉，譚博武，周婕，穆天宇，李俊祥

（湖南工業(yè)大學(xué)，湖南株洲，412007）

0 引言

現(xiàn)代科技為我們帶來生活便利的同時(shí)也對(duì)我們的身體素質(zhì)造成相對(duì)的影響，其中電子產(chǎn)品對(duì)眼部的傷害較大。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021 年我國(guó)近視患者達(dá)6 億，青少年總體近視率為53.6%，位居世界第一。受疫情影響，2021 年兒童青少年近視率與高度近視比例呈上升趨勢(shì)。為此項(xiàng)目擬設(shè)計(jì)一款可有效緩解眼部疲勞預(yù)防青少年近視的多功能智能眼部按摩儀，可通過客戶端App 人為選定工作模式或各模塊的工作參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)多模式、多功能、自定義等整體運(yùn)行操作，達(dá)到有效緩解用戶眼部疲勞、肌肉放松等效果[1~2]。

1 系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)

智能眼部按摩儀以STM32 為核心，對(duì)其他各模塊進(jìn)行控制。并且通過藍(lán)牙連接手機(jī)App，通過手機(jī)App 對(duì)STM32 進(jìn)行控制。最后實(shí)現(xiàn)可以通過手機(jī)App 對(duì)智能眼部按摩儀進(jìn)行溫度氣壓等的參數(shù)控制的功能。

■1.1 總體方案描述

該系統(tǒng)由STM32、電源控制模塊、溫度控制模塊、氣壓控制模塊、電機(jī)控制模塊、音樂控制模塊手機(jī)App 構(gòu)成。使用時(shí)，用戶可在手機(jī)App 上下發(fā)指令，在設(shè)備與手機(jī)通過藍(lán)牙連接后，傳輸至按摩儀，并通過STM32 對(duì)各模塊進(jìn)行控制。

■1.2 各模塊的選擇

1.2.1 STM32 單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊

考慮到載體的集成度，單片機(jī)采用STM32 系列，主要實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)數(shù)據(jù)的分析與處理，并輸出相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)多模塊指令協(xié)調(diào)與多模塊控制。

1.2.2 溫度控制模塊

主要由溫度傳感器和石墨烯電熱膜構(gòu)成，本項(xiàng)目選擇Pt100+AD623。在測(cè)量溫度方面，接觸式溫度傳感器所測(cè)量出的溫度更為精確，更能滿足人體所需的細(xì)微溫度變化。

在硬件之間的協(xié)調(diào)方面，單片機(jī)引腳與溫度傳感器直接相連，與石墨烯電熱膜需通過MOS 管開關(guān)電路進(jìn)行連接。在通入電流后，石墨烯電熱膜發(fā)熱，溫度傳感器獲取囊內(nèi)溫度信息并將此信息以電信號(hào)的形式傳入單片機(jī)，而單片機(jī)會(huì)根據(jù)判斷該溫度是否合理。而如果用戶在App 中做出溫度改變，單片機(jī)在獲取指令后也會(huì)對(duì)石墨烯電熱膜做出相應(yīng)指令來調(diào)節(jié)溫度。

1.2.3 氣壓控制模塊

該部分包括氣壓信號(hào)采集系統(tǒng)、氣泵和疊加式氣囊等。

首先是氣壓信號(hào)采集系統(tǒng)，該部分主要由壓電式諧振筒氣壓傳感器和單片機(jī)構(gòu)成。

其次是氣泵的選擇，本項(xiàng)目選擇型號(hào)為FM2002的微型氣泵，該氣泵完全可以滿足該設(shè)備所需的抽氣與加壓，且功率適度，不會(huì)給電源造成太大的負(fù)擔(dān)。

最后則是疊加式氣囊的選擇。本項(xiàng)目依據(jù)人體眼部具體的形狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置了疊加式氣囊的安放形式。

本項(xiàng)目擬采用電動(dòng)機(jī)模塊來實(shí)現(xiàn)多頻振動(dòng)按3 摩功能。電動(dòng)式電動(dòng)按摩器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，振動(dòng)頻率較高，約每分鐘5000 ～10000 次，功 率 為5 ～8W。因 此更符合按摩儀的振動(dòng)要求。由于電機(jī)所需功率較大，而電源無法提供其所需的電流，所以在此，本項(xiàng)目引入驅(qū)動(dòng)以此來放大電源所提供的信號(hào)。

1.2.4 音樂控制模塊

音頻播放裝置采用MP3 模塊，這類模塊使用簡(jiǎn)單、音質(zhì)好，在高要求的語言提示及音樂播放場(chǎng)合使用廣泛，MP3 模塊提供了內(nèi)置NAND FLASH，保證了沒有插拔引起的問題；提供串口控制，使音頻能夠按照文件名播放，以及實(shí)現(xiàn)單次或循環(huán)播放等；提供USB 接口，用于更新語音或音樂；提供各種靈活的控制功能，如按時(shí)間播放、按列表播放等等。且串口MP3 模塊為用戶提供了便捷的使用環(huán)境，模塊將FAT 文件系統(tǒng)、USB驅(qū)動(dòng)、U 盤管理等等功能集于一身，對(duì)外提供串口控制。使用者只需要提供簡(jiǎn)單的串口指令，就可以方便地實(shí)現(xiàn)各種靈活的語音播放、控制。

1.2.5 電源控制模塊

本項(xiàng)目中采用市場(chǎng)上通用的鋰電池與電源管理器，這樣使得無論在有無外界供電的情況下，電源都可以給各個(gè)硬件提供穩(wěn)定的電能，確保眼部按摩儀都可以正常地工作。在電源開啟的同時(shí)，顯示燈點(diǎn)亮，且在顯示燈上會(huì)顯示當(dāng)前鋰電池所剩余的電量。當(dāng)電量低于20%時(shí)，顯示燈變紅以說明需要充電。充電部分采用有線充電，接口為新型的Type-c 接口。

1.2.6 電機(jī)控制模塊

電動(dòng)機(jī)和單片機(jī)的引腳相連，電動(dòng)機(jī)接收單片機(jī)引腳發(fā)出的信號(hào)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，從而調(diào)節(jié)振動(dòng)按摩的頻率。在協(xié)調(diào)工作方面，在電動(dòng)機(jī)接受單片機(jī)所發(fā)出的指令后，電動(dòng)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過聯(lián)軸彈簧傳到偏心輪上，偏心輪把電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并把往復(fù)運(yùn)動(dòng)傳給振動(dòng)頭，以此實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。用戶可以在App 中在范圍內(nèi)調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率，選擇自己感覺最舒適的振動(dòng)頻率。在電路連接方面，電源先將電流輸入驅(qū)動(dòng)中放大，再輸入電機(jī)中，從而啟動(dòng)運(yùn)行電機(jī)。

2 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

眼部按摩儀軟件部分的任務(wù)是控制系統(tǒng)硬件部分使之完成既定的程序，并且作為App端與硬件層面的通信橋梁，將用戶在App端進(jìn)行的操作下達(dá)給硬件層執(zhí)行，而將各硬件部分的狀態(tài)返回給用戶App 界面。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括藍(lán)牙通信、溫度控制、氣壓控制和振動(dòng)電機(jī)控制四個(gè)部分。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖3 石墨烯加熱裝置程序流程圖

圖4 App流程圖

圖5 主界面設(shè)置

■2.1 藍(lán)牙通信

本系統(tǒng)采用藍(lán)牙作為通信模塊，藍(lán)牙通信軟件設(shè)計(jì)部分實(shí)現(xiàn)用戶App端數(shù)據(jù)與按摩儀內(nèi)單片機(jī)數(shù)據(jù)的交互。系統(tǒng)上電后進(jìn)行藍(lán)牙配對(duì)，配對(duì)成功后進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)用戶在App 內(nèi)下達(dá)指令后，經(jīng)藍(lán)牙透?jìng)鞯絾纹瑱C(jī)內(nèi)，解析指令后判斷接收到的是音樂數(shù)據(jù)還是模塊控制信號(hào)。而關(guān)于眼部按摩儀設(shè)備內(nèi)部則是通過藍(lán)牙通信將App 內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信進(jìn)行讀取反饋回App 中。若接收到的為音樂數(shù)據(jù)，則將其轉(zhuǎn)為音樂對(duì)應(yīng)的電平信號(hào)后使揚(yáng)聲器播放音樂；若接收到的為模塊控制信號(hào)，則根據(jù)指令調(diào)度各模塊按照編寫的控制程序執(zhí)行命令。

■2.2 溫度控制

溫度控制軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)眼部按摩儀熱敷溫度的控制，溫度控制軟件包括石墨烯加熱裝置軟件設(shè)計(jì)和Pt100 溫度傳感器軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)將溫度設(shè)置信息轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)，而電平信號(hào)控制石墨烯加熱裝置進(jìn)行溫度升降，溫度升降過程中傳感器檢測(cè)儀器內(nèi)溫度是否有超出限制，超出限制后進(jìn)行合理地反饋調(diào)節(jié)。它可以實(shí)現(xiàn)的具體調(diào)溫范圍為30℃~42℃。開機(jī)后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入記憶模式，石墨烯發(fā)熱裝置將溫度加熱到上次保存的溫度值，當(dāng)用戶更改參數(shù)設(shè)置后，程序判斷溫度當(dāng)前值高于或低于設(shè)定值，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，則使加熱裝置進(jìn)行降溫調(diào)整，反之則使加熱裝置進(jìn)行升溫調(diào)整。

■2.3 氣壓控制

氣壓控制軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)眼部按摩儀氣囊內(nèi)壓力的控制。開機(jī)后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入記憶模式，在客戶端中選擇相應(yīng)的模式或自定義調(diào)控氣壓后，藍(lán)牙接收App 所傳輸?shù)男盘?hào)并將此信號(hào)傳入單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)上次保存的氣壓值控制氣泵閥門開度大小，當(dāng)用戶更改參數(shù)設(shè)置后，程序判斷氣壓當(dāng)前值高于或低于設(shè)定值，若當(dāng)前值高于設(shè)定值，則調(diào)節(jié)氣泵的閥門開度減小以實(shí)現(xiàn)降低氣囊氣壓的效果，反之則增大氣泵的閥門開度以實(shí)現(xiàn)增大氣囊氣壓的效果。計(jì)算機(jī)在通過大數(shù)據(jù)獲取并保留用戶所使用的氣壓信息，等到下次使用時(shí)，按摩儀會(huì)自動(dòng)調(diào)到當(dāng)前擋位。

■2.4 振動(dòng)電機(jī)控制

振動(dòng)電機(jī)控制軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)對(duì)眼部按摩儀振動(dòng)頻率的控制。經(jīng)初始化電機(jī)裝置后，單片機(jī)獲取電機(jī)所在接口的地址，將所獲地址發(fā)送電機(jī)設(shè)置命令，隨后根據(jù)按摩儀的具體需求選擇合適的轉(zhuǎn)速大小，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)裝置振動(dòng)，并將當(dāng)前振動(dòng)頻率數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)。在開機(jī)后，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)根據(jù)上次保存的振動(dòng)頻率值控制振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)頻率，當(dāng)用戶更改參數(shù)設(shè)置后，程序判斷當(dāng)前振動(dòng)頻率值大于或小于設(shè)定值，若當(dāng)前值大于設(shè)定值，則調(diào)節(jié)電機(jī)振動(dòng)頻率使振動(dòng)頻率變低，反之則調(diào)節(jié)電機(jī)振動(dòng)頻率使振動(dòng)頻率變高。

3 移動(dòng)端APP 設(shè)計(jì)

■3.1 App端的開發(fā)

本APP 客戶端的集成開發(fā)環(huán)境為Android studio3.1，使用Java 語言進(jìn)行開發(fā)。整個(gè)App 客戶端采用模塊化設(shè)計(jì)，由模式選擇、DIY 設(shè)置、播放音樂、分析報(bào)告、新手教程、藍(lán)牙連接、疑難解答等模塊組成。其中分析報(bào)告通過綜合分析設(shè)備使用情況來進(jìn)行展示，而新手教程和疑難解答模塊則是由開發(fā)者編輯。

主界面是采用約束布局ConstraintLayout 來進(jìn)行構(gòu)建的。因?yàn)锳pp 客戶端主界面的小部件比較多，而約束布局ConstraintLayout 是一個(gè)視圖容器組件，可以在API9 以上的Android 系統(tǒng)使用它，它的出現(xiàn)主要是為了解決布局嵌套過多的問題，以靈活的方式定位和調(diào)整小部件。因此，采用約束ConstraintLayout 可以節(jié)約開發(fā)成本，且更為美觀[3~6]。

其他界面則是根據(jù)需求，分別采用線性布局Linear-Layout 或LinearLayout 與ConstraintLayout 嵌 套 結(jié) 合 的方式來進(jìn)行開發(fā)布局[7~9]。其中音樂列表界面采用Listview視圖構(gòu)建。

■3.2 App 客戶端的具體實(shí)現(xiàn)

3.2.1 主界面模塊

在客戶端安裝之后，啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)先獲取設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí)碼UUID 號(hào)，然后判斷是否存在數(shù)據(jù)文件DIYdata.txt，如果不存在，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用fileIsExists()函數(shù)以覆蓋式MODE_PRIVATE 創(chuàng)建文件并存入初始數(shù)據(jù)。如果已經(jīng)存在，則會(huì)調(diào)用fileNoExists()函數(shù)來判斷文件中是否存在初始數(shù)據(jù)，不存在則會(huì)存入初始數(shù)據(jù)，用以防止用戶誤清文件數(shù)據(jù)[10~12]。

3.2.2 DIY 設(shè)置模塊

DIY 設(shè)置采用SeekBar 來設(shè)置，溫度區(qū)間設(shè)置為25℃~42℃，氣壓設(shè)置低、中、高三個(gè)等級(jí)，氣囊的振動(dòng)頻率設(shè)置弱、中、強(qiáng)三個(gè)等級(jí)，時(shí)間可以設(shè)置0~30 分鐘。

選擇DIY 設(shè)置模塊之后，系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間讀取DIYdata.txt 文件中的數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鱾€(gè)SeekBar 進(jìn)度條上。每一項(xiàng)數(shù)據(jù)設(shè)置完之后，系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)以覆蓋的方式存入DIYdata.txt 文件，進(jìn)行數(shù)據(jù)存檔。

■3.3 藍(lán)牙模塊

用戶進(jìn)入客戶端之后，進(jìn)行模式選擇以及DIY 設(shè)置的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)先判斷手機(jī)是否滿足android4.3 以上版本，再判斷手機(jī)是否開啟藍(lán)牙。如果沒有開啟，系統(tǒng)會(huì)彈出一個(gè)dialog 提示框，提醒用戶開啟手機(jī)藍(lán)牙。

系統(tǒng)會(huì)通過startLeScan()進(jìn)行BLE 藍(lán)牙的掃描，然后對(duì)其掃描結(jié)果進(jìn)行回調(diào)。掃描到目標(biāo)設(shè)備之后，開始建立連接，當(dāng)連接成功時(shí)，需要調(diào)用discoverServices()去獲取服務(wù)（Service）[13~14]。

發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)（Service）之后，還需要獲取特定服務(wù)特性（Characteristic）及讀寫特征才能進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。讀特征要通過setCharacteristicNotification()設(shè)置打開通知，這樣才能接收到消息[15]。

接收到數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)通過對(duì)比Characteristic 將數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端各個(gè)數(shù)據(jù)處理函數(shù)去。

4 結(jié)論

本論文研究了智能眼部按摩儀的構(gòu)造，各部分運(yùn)作的原理，以及App的部分設(shè)計(jì)。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該眼部按摩儀可以實(shí)現(xiàn)通過App 進(jìn)行溫度氣壓等量的調(diào)控和藍(lán)牙播放功能。