摘 要：為改善傳統(tǒng)臺(tái)燈功能單一與當(dāng)前智能臺(tái)燈不夠智能化、人性化的問(wèn)題，該文基于AI技術(shù)和STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)一款融合溫濕度傳感器、超聲波傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和Wi-Fi模塊等一系列模塊，以及在照明基礎(chǔ)上增加智能調(diào)光、檢測(cè)疲勞、糾正坐姿等功能的智能化、人性化智能語(yǔ)音臺(tái)燈。

關(guān)鍵詞：STM32;智能語(yǔ)音臺(tái)燈;人性化;檢測(cè)疲勞;糾正坐姿;云服務(wù)器

中圖分類號(hào)：TM923 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）22-0042-04

Abstract： In order to improve the single function of the traditional table lamp and the current intelligent table lamp is not intelligent and humanized. In this paper， based on AI technology and STM32 MCU， a series of modules such as temperature and humidity sensor， ultrasonic sensor， light intensity sensor and Wi-Fi module are designed， which add intelligent dimming， fatigue detection， correction of sitting posture and other functions to intelligent， humanized intelligent voice desk lamp.

Keywords： STM32; intelligent voice desk lamp; humanization; detecting fatigue; correcting sitting posture; Cloud server

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對(duì)家用電器智能化程度的要求越來(lái)越高。不管是對(duì)于學(xué)生還是對(duì)于工作人群，臺(tái)燈是每家每戶必不可少的工具，但長(zhǎng)期處于光線太強(qiáng)或者過(guò)弱的環(huán)境中學(xué)習(xí)和一系列不良的坐姿都會(huì)導(dǎo)致近視和駝背。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。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)燈有很多，但是其性能尚無(wú)法滿足用戶的智能化、人性化等一系列市場(chǎng)需求。而針對(duì)人性化，目前關(guān)于智能臺(tái)燈的研究中同時(shí)具有人體檢測(cè)、自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈亮度與不良坐姿提醒功能的不多。對(duì)于人性化這一方面，更多地體現(xiàn)可能是在臺(tái)燈的外觀設(shè)計(jì)上，但單單從外觀的設(shè)計(jì)上來(lái)凸顯產(chǎn)品的人性化還是比較單一的。

由于這一系列問(wèn)題，本項(xiàng)目提出了一款基于AI技術(shù)的智能語(yǔ)音臺(tái)燈設(shè)計(jì)與開發(fā)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光照條件自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，防止因燈光太亮或太暗導(dǎo)致的視力下降;感應(yīng)周圍是否有人并實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)關(guān)燈，達(dá)到節(jié)約能源，延長(zhǎng)臺(tái)燈壽命的作用;通過(guò)超聲波感應(yīng)根據(jù)使用者眼睛距離書桌的遠(yuǎn)近來(lái)進(jìn)行坐姿調(diào)整，防止因坐姿導(dǎo)致的駝背現(xiàn)象;加入語(yǔ)音模塊有效地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，不再使用傳統(tǒng)的手動(dòng)開關(guān)，而是使用語(yǔ)音調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度和燈光位置，更加方便對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行控制。不僅如此，在語(yǔ)音模塊的基礎(chǔ)上還增加了一塊1.3寸的TFT迷你小屏幕，對(duì)每次語(yǔ)音操作都會(huì)有相對(duì)應(yīng)的Q版微表情，更具有交互的體驗(yàn)感，其上也會(huì)顯示時(shí)間、日期、房間溫度和濕度等眾多信息供使用者參考等一系列功能。對(duì)此，本文擬作出如下研究論述。

1 臺(tái)燈整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目智能語(yǔ)音臺(tái)燈的功能實(shí)現(xiàn)主要采用了STM32單片機(jī)作為臺(tái)燈的核心控制板，ESP8266 Wi-Fi模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信連接;光敏傳感器根據(jù)環(huán)境光照情況進(jìn)行臺(tái)燈的開關(guān)控制;人體感應(yīng)傳感器檢測(cè)周圍是否有人來(lái)實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的開關(guān)控制;光照傳感器模塊對(duì)使用環(huán)境光照情況進(jìn)行采集;溫度傳感器模塊對(duì)周圍環(huán)境情況進(jìn)行采集，超聲波傳感器檢測(cè)坐姿是否標(biāo)準(zhǔn)，蜂鳴器模塊鳴響提示使用者，舵機(jī)模塊調(diào)節(jié)燈光位置，K210攝像頭進(jìn)行臉部圖像識(shí)別檢測(cè)使用者的狀態(tài)，語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行臺(tái)燈基礎(chǔ)功能的控制;OLED和TFT顯示屏對(duì)臺(tái)燈使用情況進(jìn)行采集，制作APP和小程序客戶端通過(guò)阿里云服務(wù)器與用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。各模塊如圖1所示互相配合，形成完整的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)主控

STM32系列單片機(jī)由ST公司生產(chǎn)的專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核。本系統(tǒng)采用的STM32屬于互聯(lián)型產(chǎn)品，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：72 MHz主頻，56 K字節(jié)Flash，64字節(jié)SRAM，2個(gè)看門狗，多個(gè)16位定時(shí)器，80%的引腳可以作為通用I/O口，以及USART、SPI等通信外設(shè)，其外設(shè)完全滿足本系統(tǒng)的功能要求[1]。因此，本系統(tǒng)采用STM32F103作為總控制器，主要從各個(gè)模塊中獲取信息，對(duì)獲取的信息進(jìn)行編碼，根據(jù)需要將編碼的信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，再通過(guò)服務(wù)器將數(shù)據(jù)分發(fā)給APP能夠控制整個(gè)系統(tǒng)功能的正常運(yùn)行[2]。

2.2 語(yǔ)音識(shí)別模塊

語(yǔ)音識(shí)別模塊控制臺(tái)燈的各種基礎(chǔ)功能，使用的新型語(yǔ)音模塊集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些包括 AD/DA 轉(zhuǎn)換器、聲音輸出接口、麥克風(fēng)接口等的外部電路，能夠便捷地通過(guò)先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行處理并執(zhí)行指令。模塊亦包含語(yǔ)音合成及反饋系統(tǒng)，可以同時(shí)以自然語(yǔ)言與用戶進(jìn)行交互，提供指令執(zhí)行的反饋。

2.3 超聲波模塊

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。根據(jù)時(shí)間差和超聲波的速度可以估算出發(fā)射位置到障礙物位置的距離[3]，用超聲波模塊來(lái)進(jìn)行測(cè)距，一個(gè)超聲波控制頭部與桌面的距離，一個(gè)超聲波控制身體與桌面的距離，確保學(xué)習(xí)者處于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)坐姿，防止長(zhǎng)時(shí)間不良坐姿導(dǎo)致駝背、近視等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.4 光照傳感器模塊

光照傳感器的作用是測(cè)量周圍光線的強(qiáng)度和變化，其內(nèi)部由晶振、光敏二極管、ADC采集和運(yùn)算放大器等組成。PD二極管通過(guò)光生伏特效應(yīng)將輸入光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)運(yùn)算放大電路后，由ADC采集電壓，然后通過(guò)邏輯電路轉(zhuǎn)換成16位二進(jìn)制數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)部的寄存器中將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，以反映周圍的光照情況。其可以在各種應(yīng)用場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、照明調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及根據(jù)環(huán)境強(qiáng)度控制開關(guān)燈等功能。

2.5 溫濕度傳感器模塊

將溫度和濕度信號(hào)采集出來(lái)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓濾波、運(yùn)算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護(hù)等電路處理后[4]，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號(hào)或電壓信號(hào)輸出，采集到的信息可以傳送到APP、小程序、OLED顯示屏和語(yǔ)音模塊等各個(gè)傳感器中，輔助其他模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，當(dāng)溫濕度大于一定范圍會(huì)進(jìn)行蜂鳴器鳴響，提示使用者當(dāng)前環(huán)境不適合繼續(xù)學(xué)習(xí)工作，并進(jìn)行開風(fēng)扇等工作進(jìn)行降溫降濕。

2.6 Wi-Fi模塊

將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置完備的TCP/IP協(xié)議棧。通過(guò)將臺(tái)燈（ESP8266模塊）連接到阿里云服務(wù)器，通過(guò)小程序與Web網(wǎng)頁(yè)端實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)操控與信息獲取，運(yùn)用藍(lán)牙連接對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行控溫控光。

2.7 OLED與TFT彩屏

顯示屏對(duì)各種傳感器采集到的信息進(jìn)行顯示、增強(qiáng)使用者的體驗(yàn)感，如圖2（a）所示，OLED中對(duì)光照傳感器、溫濕度傳感器、超聲波傳感器進(jìn)行了數(shù)據(jù)顯示;如圖2（b）所示，TFT顯示屏將單片機(jī)通過(guò)Wi-Fi模塊采集到的和風(fēng)天氣客戶端的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

2.8 K210攝像頭

K210是一個(gè)低成本、功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)模塊，在學(xué)習(xí)YOLO算法后將PERCLOS理論作為編程判斷的核心框架，通過(guò)Python編程語(yǔ)言編寫AI深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)人臉的識(shí)別，識(shí)別使用者的工作狀態(tài)，檢測(cè)是否疲勞，首先檢測(cè)人臉，并利用ERT算法定位人臉特征點(diǎn);然后根據(jù)人臉眼睛區(qū)域的特征點(diǎn)坐標(biāo)信息計(jì)算眼睛縱橫比，用EAR來(lái)描述眼睛的張開程度，根據(jù)合適的EAR閾值可判斷睜眼或閉眼狀態(tài);最后基于EAR實(shí)測(cè)值和EAR閾值，根據(jù)監(jiān)控視頻計(jì)算閉眼時(shí)間比例 （PERCLOS）值，從而度量使用者主觀疲勞程度，將其與設(shè)定的疲勞度閾值進(jìn)行比較即可判定是否疲勞[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程總體設(shè)計(jì)

首先用戶通過(guò)手機(jī)連接到智能臺(tái)燈，配對(duì)并通過(guò)用戶認(rèn)證。之后打開臺(tái)燈，啟動(dòng)所有的傳感器，各傳感器開始通過(guò)溫度、濕度、紅外、超聲波和光照等環(huán)境因素檢測(cè)用戶及房間狀態(tài)。通過(guò)語(yǔ)音模塊，判斷用戶是否對(duì)臺(tái)燈進(jìn)行語(yǔ)音操作，若有，則檢測(cè)為哪項(xiàng)詞條并進(jìn)行相應(yīng)操作。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，識(shí)別成功后輸出串口和播報(bào)內(nèi)容及相應(yīng)操作見(jiàn)表2。

與此同時(shí)，光照傳感器根據(jù)環(huán)境光線是否變化控制臺(tái)燈自動(dòng)開關(guān)及調(diào)節(jié)亮度和角度，超聲波傳感器會(huì)根據(jù)用戶與桌面的距離判斷是否坐姿不良并適時(shí)通過(guò)蜂鳴器提醒。

3.2 APP界面及TFT彩屏設(shè)計(jì)

APP界面設(shè)計(jì)為方便用戶使用，整體風(fēng)格以簡(jiǎn)約大氣為主，如圖3（a）所示，共有6個(gè)板塊，包含天氣情況、空氣質(zhì)量、溫濕度和光照強(qiáng)度等信息，并且可以遠(yuǎn)程控制燈光強(qiáng)弱和開關(guān)。

而TFT彩屏則以人性化為主要標(biāo)準(zhǔn)，如圖3（b）、圖3（c）所示，著重考慮用戶心理健康，采用可愛(ài)生動(dòng)的Q萌表情作為彩屏主頁(yè)面，并且每次語(yǔ)音命令后都會(huì)生成不同的Q版微表情與使用者進(jìn)行互動(dòng)。

3.3 K210攝像頭設(shè)計(jì)

3.3.1 AI深度學(xué)習(xí)算法

AI深度學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)的路徑是云計(jì)算。通過(guò)充足的數(shù)據(jù)、足夠快的算力，得出更加精確的“結(jié)果”（宏觀上呈現(xiàn)機(jī)器的某種智能化功能）。本項(xiàng)目則將K210寫入的大量人臉疲勞數(shù)據(jù)存入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，讓K210通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，使其對(duì)人疲憊時(shí)候的特征與正常工作狀態(tài)的RGB閾值分離進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.3.2 圖像采集與增強(qiáng)

為驗(yàn)證所研究的識(shí)別算法的普遍適用性，盡量使監(jiān)控到的疲勞圖像與正常特征基本一致，在滿足環(huán)境條件的情況下進(jìn)行原始圖像的數(shù)據(jù)采集。

對(duì)抓取到的疲勞狀態(tài)原始圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高圖像清晰度，使疲勞狀態(tài)圖像的輪廓特征更突出，以便于滿足圖像識(shí)別的要求如圖4所示[6]。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)旨在對(duì)各類市面上的智能語(yǔ)音臺(tái)燈進(jìn)行設(shè)計(jì)更新，增加一些方便人們學(xué)習(xí)中或工作中使用的功能，操作簡(jiǎn)單，使用方便。

本項(xiàng)目使用了HC-SR04超聲波模塊設(shè)計(jì)了糾正坐姿的功能。當(dāng)人們坐姿正確時(shí)，身體與臺(tái)燈的距離，頭與桌面的距離、頭與臺(tái)燈的距離三者之間可以近似地組成一個(gè)直角三角形（圖5），方便了坐姿糾正的計(jì)算。另外考慮到可能擁有不同年齡段的適用人群，以及人們放置臺(tái)燈位置的不同，組成相對(duì)直角三角形的程度可能不同，通過(guò)調(diào)查確定一定的誤差范圍，以此提高坐姿糾正功能的準(zhǔn)確度。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)增加了攝像頭進(jìn)行AI算法大模型的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞學(xué)習(xí)工作這一系列低效率的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)低效率學(xué)習(xí)工作狀態(tài)時(shí)語(yǔ)音小助手會(huì)提示休息與放松，待有一個(gè)良好的狀態(tài)時(shí)繼續(xù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與工作，將傳統(tǒng)的家用臺(tái)燈與時(shí)代前沿科技結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成與以往功能單一或功能不全面的不同體驗(yàn)效果，減少人們?cè)谑褂门_(tái)燈學(xué)習(xí)時(shí)的多種額外煩惱，增加學(xué)習(xí)期間的沉浸度、自由度。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)還能通過(guò)藍(lán)牙模塊用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)控光控溫，在光照太強(qiáng)或者太弱的環(huán)境下長(zhǎng)期學(xué)習(xí)工作，都是對(duì)使用者視力的一種巨大傷害，臺(tái)燈會(huì)根據(jù)環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度達(dá)到一種預(yù)防因光照強(qiáng)度導(dǎo)致的視力下降的問(wèn)題。通過(guò)ESP-01S無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)與阿里云平臺(tái)的連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控臺(tái)燈使用情況和環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)臺(tái)燈的各項(xiàng)功能起到一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用。

5 結(jié)論

本臺(tái)燈基于AI技術(shù)和STM32單片機(jī)，依托各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，提出了一款能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈光強(qiáng)、檢測(cè)疲勞、糾正不良坐姿的人性化、智能化臺(tái)燈。該設(shè)計(jì)能直接通過(guò)軟件和小程序?qū)鈴?qiáng)信號(hào)及語(yǔ)音播報(bào)進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。在為使用者提供便利化操控體驗(yàn)的同時(shí)，在一定程度上預(yù)防了當(dāng)前社會(huì)青少年普遍存在的近視與駝背問(wèn)題。對(duì)以智能語(yǔ)音臺(tái)燈為代表的智能家居技術(shù)的發(fā)展做了有益探索。

智能語(yǔ)音臺(tái)燈經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和改進(jìn)后，總體設(shè)計(jì)安全可靠，具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。但在系統(tǒng)控制等方面仍有許多值得進(jìn)一步探索與完善處。比如可以根據(jù)個(gè)人需求，將主觀語(yǔ)音控制模式（或手動(dòng)控制）與客觀自動(dòng)控制模式設(shè)置為并行模式供用戶自由選擇，進(jìn)一步改善用戶照明體驗(yàn)，節(jié)約能源，將系統(tǒng)的實(shí)用性進(jìn)一步提高。

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*通信作者：王葉南（1984-），女，碩士，講師。研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理。