具有環境質量與學習狀態監測功能的LED臺燈

摘要：本設計提出的具有環境質量與學習狀態監測功能的LED臺燈，從光源設計本身、環境參數監測與報警功能、學習注意力監測功能等方面為學生提供一種全方位的安全保障，同時也通過語音識別與觸摸屏等方式提供十分友好的交互方式，使臺燈成為學生學習的真正好伙伴。

關鍵詞：LED光源；臺燈；環境監測；有害氣體；PM2.5

中圖分類號 ： TM923 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（B）-0000-00

1 智能化臺燈的設計目標

在這個“談霾色變”的時代，給學生一個安全舒適的學習環境是萬千家長的心聲。空氣凈化器走進了千家萬戶，但它到底有沒有實際效果，許多家長心里還是帶著一個問號。臺燈作為學生在房間里學習必不可缺的用具，本設計提出的安全舒適學習用智能化LED臺燈，將從光源設計本身、環境參數監測與報警功能、學習注意力監測功能等方面為學生提供一種全方位的安全保障，同時也通過語音識別與觸摸屏等方式提供十分友好的交互方式，使臺燈成為我們學生學習的真正好伙伴。

2 智能化臺燈的設計特點

本具有環境質量與學習狀態監測功能的LED臺燈：

（1）采用陣列分布的LED光源，可有效保護學生學習的視力：傳統的日光燈使用的是交流電，每秒會產生100-200次頻閃，而在本發明中采用寬色溫無頻閃的LED光源，使用恒流工作方式，把交流電直接轉換為直流電，有效減少LED光衰，啟動快，無閃爍，保護學生眼睛。

（2）具有溫濕度監測與顯示功能：可實時監測房間溫度、濕度并顯示在LCD液晶屏上，當溫度或濕度超過一定閾值，會發出報警提示語音，提醒學生需要增減衣物，或者提醒學生需要開窗通風或喝水。

（3）具有室內有害氣體監測功能：有害氣體檢測包含對甲醛、一氧化碳、甲烷、酒精等對人體有害的有機氣體的綜合檢測。室內氣體環境由于受家庭裝修、炒菜油煙、天然氣使用和開窗通風時的外界環境影響，氣體成分復雜且濃度變動較大，而本設計可對有害氣體進行綜合監測，實時提醒家長關注室內空氣質量，確實保證學生健康的呼吸環境。

（4）具有PM2.5顆粒參數監測功能：PM2.5等可吸入顆粒物日益成為生活中較受關注的問題，而天氣預報軟件發布的報告僅為室外可吸入顆粒物的平均值，并不能成為室內PM2.5的參考。本設計中的PM2.5模塊可實時檢測室內可吸入顆粒物濃度，當可吸入顆粒物達到一定濃度值，將發出報警信號，提醒學生或家長注意室內衛生，保證學生干凈健康的學習環境。

（5）學生學習注意力狀態提醒功能：本設計配套有腦電監測頭戴設備，腦電檢測頭戴可實時檢測學生的腦電波，并分析數據將注意力值實時發送至臺燈端的控制芯片。臺燈端不僅可以顯示學生的注意力值，還能在學生注意力不集中時進行溫和提醒，使學生能專注學習，提高學習效率。

（6）采用觸摸屏與語音控制雙重交互方式：傳統聲控開關只是聲音幅值檢測，并沒有語音識別開關功能。本設計使用特定語音的開關與調節，只需喊出“開燈”、“關燈”、“調亮”、“調暗”，便可方便地控制臺燈。對學生來說，不僅有趣味性，而且更加方便和實用。

（7）鬧鐘提醒功能：通過臺燈液晶屏可設置兩個鬧鐘，一個為起床鬧鐘，一個為睡覺鬧鐘。通過觸摸屏可進行鬧鐘時間設置和開關控制。在指定時間為學生用語音提供鬧鐘功能。

3 智能化臺燈的設計方案

根據設計特點進行分析設計，安全舒適學習用智能化LED臺燈模塊框圖，主要包括以下功能模塊：

（1）處理器模塊：考慮到系統的擴展性、實時性、數據處理能力以及低成本性的要求，該處理器模塊采用是ST公司推出的STM32F103VET6芯片。該芯片以ARM 32位的Cortex-M3為內核，可提供最高72MHz的工作頻率。片上集成并行LCD接口、I2C、SPI、USART、ADC和SDIO等豐富的控制接口，因此可以滿足本系統的功能需求。

（2）電源模塊：電源模塊的設計對系統運行的穩定性至關重要。系統的供電電路主要包括三路，分別是12V、5V和3.3V。三路電壓分別通過電源轉換芯片得到。電源經過整流、濾波和穩壓，最終提供系統穩定的供電電壓。

（3）LED驅動電路：采用GPIO接口對LED光源進行控制，并可通過PWM波形占空比調節來實現臺燈亮度的調節。

（4）LCD觸摸屏：采用武漢中顯的串口觸摸屏，可直接通過UART接口發送指令，進行LCD顯示與觸摸輸入交互。

（5）溫濕度傳感器：本設計的溫濕度傳感器采用SHT10數字溫濕度傳感器，實現對空氣溫度和濕度的采集，并將采集的數據用兩線制串行接口發送給MCU。SHT10是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有超低功耗和長期穩定性的特點。

（6）PM2.5監測模塊：PM2.5模塊采用DSM501A傳感器，實現對可吸入顆粒物的實時采集，并將采集信號發送給MCU。PM2.5模塊可調節靈敏度，可設置檢測顆粒物直徑1um和2.5um，室內香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子均可被檢測到。

（7）有害氣體監測模塊：TGS2600傳感器芯片，可檢測甲醛、酒精、一氧化碳、甲烷等有機氣體綜合濃度。

（8）FLASH模塊：FLASH模塊可通過STM32芯片自帶的SPI接口進行通訊，主要存儲音樂MP3與語音提醒MP3文件。

（9）語音識別與輸出模塊：語音識別與輸出模塊采用了識別/輸出一體化模塊LD3320芯片，該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括ADC、DAC、麥克風接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何芯片如FLASH、RAM等，可直接集成在現有的產品中，實現語音識別/聲控/人機對話等功能。

（10）.藍牙通訊模塊：設計所使用的藍牙模塊采用HM10主從一體式藍牙4.0芯片，該模塊具有集成度高、穩定性好、功耗低、外圍電路少等優點，完全滿足本系統的需求。

4 智能化臺燈的測試方案

（1）.該設計的測試分為硬件測試、軟件測試、軟硬件聯調測試與整體機器總體測試四個步驟。必須要按序進行。一旦發現問題將進行問題反饋與修正，重新提交測試。

（2）硬件測試主要包括各硬件模塊的功能測試，首先是電源模塊測試，然后是處理器模塊測試，接下去就是各個硬件模塊的單獨測試，確保各硬件組成部分的芯片與連接的完好。

（3）軟件測試主要指應用軟件的測試，按照設計功能要求進行完整的功能性測試，確保各個功能均可正常運行。軟件測試分模塊進行測試，LED模塊、LCD觸摸屏模塊、溫濕度傳感器模塊、有害氣體監測模塊、PM2.5監測模塊、語音模塊、FLASH模塊、藍牙模塊等單獨測試，每個模塊測試通過后，再整合模塊進行測試。單獨測試通過后，整合測試往往會出現問題，原因是各個模塊會有相互影響的因素，如中斷嵌套、任務搶占、任務棧內存溢出。因此需要進行中斷優先級調整、任務優先級調整、任務棧大小調整。

（4）軟硬件聯調測試包括正常工作狀態下的測試與異常工作狀態下的測試，在此過程中，要增加一些容錯性處理。要考慮到學生的操作習慣、錯誤操作，模擬出多種可能出錯的狀況，進行全面測試，針對不同情況增加軟件上的處理。

5 結語

在本設計中，除了電路設計之外，美觀大方的工業化設計造型是決定發明設計是否可以真正成為產品的關鍵。考慮到產品的受眾定位，設計性價比要盡可能高。在設計過程中，為將來的產品化定型要考慮系列化，高端用戶可能包括全部功能，中端用戶只包括一部分功能，因此在本設計過程中充分考慮到了模塊化設計思想。

參考文獻

[1]樊鈺，基于單電極腦電采集設備的Android音樂播放器設計[D]，杭州，浙江大學，2013.

[2]楊麗麗，智能化家庭養魚LED光源系統[D]，杭州，浙江大學，2015.