何楓，劉閔，楊鳳年

（1.中信建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢，430014；2.長(zhǎng)沙學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410022）

0 引言

近年來(lái)，青少年的近視眼發(fā)病率逐年上升，近視眼患者低齡化、重度化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。影響視力的重要因素之一是用眼環(huán)境光線，適宜的光源、正確的坐姿，都是保護(hù)視力的必要條件。雖然當(dāng)前市場(chǎng)上智能臺(tái)燈不少，但是其功能和性能尚無(wú)法滿足用戶的智能化需求，設(shè)計(jì)一款具備燈光顏色可調(diào)、監(jiān)督坐姿、人體感應(yīng)控制、語(yǔ)音控制、智能手機(jī)APP 遙控等功能的智能臺(tái)燈，滿足人們?nèi)粘９ぷ鳌W(xué)習(xí)和休閑時(shí)的照明需求，改善人們的視光環(huán)境非常必要。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的多功能智能臺(tái)燈，采用可充電的鋰電池供電，含Mini USВ 接口。它有三種工作模式：手動(dòng)模式、常規(guī)模式和休閑模式，常規(guī)模式是默認(rèn)工作模式，用戶通過(guò)觸摸按鍵切換工作模式。常規(guī)模式是全功能模式，具有坐姿檢測(cè)、OLED 顯示溫度濕度和工作模式、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音播報(bào)、手機(jī)APP 遙控、人體紅外感應(yīng)和照明亮度和顏色控制等功能；休息模式屬于節(jié)能模式，在該模式下坐姿檢測(cè)模塊、OLED 顯示模塊、語(yǔ)音模塊、藍(lán)牙模塊停止工作，僅人體感應(yīng)模塊和照明亮度控制模塊啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人來(lái)燈亮，人離開(kāi)后延時(shí)燈滅或轉(zhuǎn)換成小夜燈工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。手動(dòng)模式也屬于節(jié)能模式，一般在無(wú)交流電供應(yīng)的環(huán)境下使用，在該模式下坐姿檢測(cè)模塊、語(yǔ)音模塊、藍(lán)牙模塊和人體紅外感應(yīng)模塊都不啟動(dòng)，最大限度降低能耗。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6 作為主控單片機(jī)，加上藍(lán)牙模塊HC-05、語(yǔ)音模塊、超聲波模塊HC-SR04、0.96英寸OLED 模塊、野火人體紅外感應(yīng)模塊、溫濕度傳感器DHT11 和含鋰電池的電源等硬件電路，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)燈在常規(guī)模式下的智能手機(jī)APP 遙控和語(yǔ)音控制，還具有坐姿檢測(cè)、溫度濕度和工作方式的OLED 顯示、語(yǔ)音播報(bào)等功能；休息模式下，僅提供人體紅外感應(yīng)開(kāi)關(guān)等功能。語(yǔ)音模塊和藍(lán)牙模塊分別通過(guò)USART2 和USART3 與MCU 連接，其他功能模塊則通過(guò)GPIO與MCU相連。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

■2.1 單片機(jī)核心板

單片機(jī)核心板是系統(tǒng)的中央控制模塊，實(shí)物見(jiàn)圖2，與其他外圍模塊連接，組成智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)。核心板采用STM32F103C8T6 單片機(jī)作為MCU，該單片機(jī)是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 系列32 位微控制器，主頻為72MHz，有37 個(gè)GPIO 引腳，含4 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、3 個(gè)USART、12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等，其程序存儲(chǔ)器為64KВ FLASH，RAM 大小為20KВ，工作電壓為2～3.6V。

圖2 單片機(jī)核心板實(shí)物

■2.2 語(yǔ)音模塊

語(yǔ)音模塊的主要功能是語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播報(bào)，其核心NRK3301 是32 位高性能AI 智能離線語(yǔ)音識(shí)別芯片，具有識(shí)別精準(zhǔn)、遠(yuǎn)場(chǎng)降噪的特點(diǎn)，最多可支持100 條離線指令，實(shí)物見(jiàn)圖3。模塊連接喇叭和咪頭后，將其串口UART 的PВ9（UART 的TX）和PВ10（UART 的RX）引腳分別連接到STM32 單片機(jī)核心板的串口USART2 的引腳A3 和A2（A3為USART2 的RX，A2 為USART2 的TX，引腳分布如圖2所示），即可實(shí)現(xiàn)與主控單片機(jī)STM32 的信息交互。模塊串口默認(rèn)配置參數(shù)：波特率=9600bps，校驗(yàn)位=None，數(shù)據(jù)位=8 位，停止位=1 位。

圖3 語(yǔ)音模塊實(shí)物正面（左）和反面（右）

語(yǔ)音識(shí)別。NRK3301 自動(dòng)識(shí)別出咪頭接收到語(yǔ)音信號(hào)后，首先用喇叭播音方式回答用戶的語(yǔ)音指令，再將語(yǔ)音識(shí)別結(jié)果通過(guò)串口向單片機(jī)以字符串的形式發(fā)送4 個(gè)字節(jié)的識(shí)別碼，單片機(jī)收到識(shí)別碼后執(zhí)行相應(yīng)的操作。

語(yǔ)音播報(bào)。若系統(tǒng)以其他方式如按鍵控制或手機(jī)APP控制方式，調(diào)整了臺(tái)燈的工作模式，那么，單片機(jī)可通過(guò)串口以字符串的形式向語(yǔ)音識(shí)別模塊發(fā)送4 字節(jié)的控制碼，語(yǔ)音識(shí)別模塊收到控制碼后，將對(duì)應(yīng)的工作方式用喇叭播音方式通知用戶。

■2.3 照明驅(qū)動(dòng)模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)燈的開(kāi)和關(guān)，利用PWM 輸入進(jìn)而控制燈的亮度和色度，原理圖見(jiàn)圖4。WPM2341-3 是一種增強(qiáng)型P溝道場(chǎng)效應(yīng)管，其導(dǎo)通與截止由柵源電壓來(lái)控制，以此控制燈的亮度，N 溝道的管子加正向電壓即導(dǎo)通，P 溝道的管子則加反向電壓，一般2V～4V 即可。將單片機(jī)的TIM3 配置多路輸出模式，PWM1 和PWM2 分別連接單片機(jī)TIM3 的CH1（圖2 中的A6 引腳）和CH2（圖2 中的A7 引腳），它們輸出低電平0V 時(shí)，相應(yīng)場(chǎng)效應(yīng)管的Vgs ≈0V，場(chǎng)效應(yīng)管截止，而輸出高電平3.3V 時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管的Vgs ≈－5V，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，LED 燈點(diǎn)亮。注意：實(shí)際產(chǎn)品的電路中D1（白光）和D2（暖光）處都是多個(gè)LED 并聯(lián)；白光LED 和暖光LED 分別點(diǎn)亮就實(shí)現(xiàn)白光、暖光照明，若白光LED 和暖光LED 同時(shí)點(diǎn)亮就變成自然光照明。

圖4 照明控制電路

脈寬電壓調(diào)制電源在低壓時(shí)脈沖較寬，頻率較低，有時(shí)會(huì)低到人眼最低幀率25 幅/秒時(shí)，人眼就可以發(fā)覺(jué)燈具閃爍現(xiàn)象，因此，PWM 調(diào)光頻率應(yīng)在100Hz 以上。

■2.4 超聲波模塊

實(shí)現(xiàn)坐姿檢測(cè)的關(guān)鍵部件是超聲波測(cè)距模塊HCSR04。它提供2cm～400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，工作電壓為5V，模塊的引腳Trig 和Echo 與單片機(jī)核心板上的GPIO 相連。模塊具有一個(gè)超聲波發(fā)射器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為40 kHz 超聲波信號(hào)發(fā)射出去，一個(gè)超聲波接收器監(jiān)聽(tīng)反射回來(lái)的超聲波信號(hào)。如果接收到，它就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，其寬度可用于確定超聲波信號(hào)傳播的距離。具體工作過(guò)程：

(1)采用模塊的引腳TRIG（至少要保持10μs 的高電平信號(hào)）觸發(fā)測(cè)距；

(2)模塊自動(dòng)發(fā)出8 個(gè)40kHz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

(3)若有信號(hào)返回，則模塊的引腳ECHO 輸出高電平，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，計(jì)算方法如下：測(cè)試距離=(高電平時(shí)間＊聲速(340m/s))/2。

■2.5 人體紅外感應(yīng)模塊

人體感應(yīng)模塊采用野火人體紅外感應(yīng)模塊，用于檢測(cè)人是否接近臺(tái)燈。它由菲涅爾透鏡、熱釋電紅外探頭、放大電路組成。透鏡在探頭前方產(chǎn)生交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，有人時(shí)，人體產(chǎn)生的紅外線會(huì)交替出現(xiàn)在“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，熱釋電紅外探頭檢測(cè)到人體發(fā)出的紅外線時(shí)，發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)（脈沖寬度固定），再通過(guò)放大器將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為更直觀的高低電平輸出，有人時(shí)輸出高電平，無(wú)人時(shí)輸出低電平。并在放大電路上設(shè)置電位器，調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的靈敏度，調(diào)節(jié)高電平持續(xù)時(shí)間。

其三個(gè)引腳分別是：GND、VCC、OUT，探頭檢測(cè)到有人移動(dòng)時(shí)，OUT 輸出1；沒(méi)人移動(dòng)時(shí)，OUT 輸出0。工作電壓為5V～20V，輸出電壓：高電平為3.3V，低電平為0V。引腳OUT 與單片機(jī)核心板上的GPIO 相連。

■2.6 電源模塊

電源模塊由鋰電池、電源管理芯片和Min iUSВ 接口組成，見(jiàn)圖5，采用AP5056 作為電源管理芯片，它是單片鋰離子電池恒流/恒壓線性電源管理芯片，其較少的外圍元件適合應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，且專門設(shè)計(jì)適用于USВ 的供電規(guī)格。基于內(nèi)部MOSFET 結(jié)構(gòu)，不需要外部感應(yīng)電阻和隔離二極管，當(dāng)外部環(huán)境溫度過(guò)高或在大功率工作時(shí)，熱反饋可以調(diào)節(jié)充電電流以降低芯片溫度。充電電壓被固定4.2V，充電電流可通過(guò)外部電阻設(shè)置。當(dāng)充電電流在達(dá)到浮充電壓之后降到設(shè)定值1/10 時(shí)，AP5056 將自動(dòng)停止充電循環(huán)。

圖5 電源模塊圖

3 軟件設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)流如圖6 所示。臺(tái)燈電源上電后，系統(tǒng)各部分初始化，包括如下模塊：STM32 單片機(jī)、溫濕度傳感器、人體感應(yīng)模塊、藍(lán)牙模塊、OLED 模塊、語(yǔ)音模塊、超聲波模塊和照明驅(qū)動(dòng)模塊。初始化完成后，臺(tái)燈播出語(yǔ)音提示“歡迎使用智能臺(tái)燈”，OLED 顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度和常規(guī)工作模式，然后程序進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，判斷模式選擇和確認(rèn)按鍵是否按下，選擇好模式后有相應(yīng)的語(yǔ)音提醒，有三種模式可選：常規(guī)模式、手動(dòng)模式和休息模式。默認(rèn)模式是常規(guī)模式。

圖6 主程序流程圖

按鍵信息、語(yǔ)音輸入信息和手機(jī)APP 輸入信息通過(guò)外部中斷、USART2 中斷和USART3 中斷服務(wù)程序獲得。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)，具備無(wú)線遙控、語(yǔ)音控制、語(yǔ)音播報(bào)、人體感應(yīng)和坐姿檢測(cè)、環(huán)境溫度和濕度顯示等功能。系統(tǒng)采用鋰電池供電，通過(guò)Mini USВ 接口充電，能在無(wú)220V 交流電的環(huán)境下工作，有三種工作模式：手動(dòng)模式、常規(guī)模式和休閑模式，用戶通過(guò)觸摸按鍵切換工作模式，常規(guī)模式是全功能模式，手動(dòng)模式和休息模式為節(jié)能模式，僅有部分功能可用；常規(guī)模式和休息模式是兩種智能工作模式，分別對(duì)應(yīng)于工作學(xué)習(xí)和休閑/睡眠兩種應(yīng)用場(chǎng)景。實(shí)際測(cè)試表明，該智能臺(tái)燈性能較穩(wěn)定，不僅適合用于辦公/居家照明，還可以用于戶外露營(yíng)照明。