基于人體坐姿判別的智能顯示器支架設計

杜文濤，高原，安平，田新宇，何俊欽，方子旺

（1.桂林電子科技大學電子工程與自動化學院，廣西桂林，541004； 2.桂林電子科技大學教學實踐部，廣西桂林，541004； 3.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林，541004）

0 引言

當今社會數碼產品早已普及千家萬戶。當人體長期處于坐姿使用數碼顯示產品時，由于長期局部受力不均和久坐不動，可能會導致頸椎受損、視力下降等健康問題。有研究表明，長時間坐姿不正確，會增加多種疾病發生的風險，尤其是對少年兒童和長時間使用電腦辦公的人群的影響會更加明顯。所以研究一套主動使人矯正自己的坐姿，并且能夠實時自動保持數碼顯示產品與眼睛之間健康視距的設備是非常必要的。本文主要討論一種新型的人體坐姿監測提醒和自動保持數碼屏幕產品與人眼之間健康視距的輔助矯正系統，且該系統具有工作時間表自定義功能來輔助用戶更科學的管理工作休息時間。

圖1 系統整體框圖

圖2 上位機步進電機驅動控制電路

1 系統的硬件設計

本系統通過壓力傳感器坐墊來檢測用戶是否正在使用液晶顯示屏，并對用戶坐姿重心信息進行采集判斷。同時利用人頭追蹤裝置搜索人頭空間位置，得到顯示屏與人頭的直線距離，并與事先設定的健康視距參數進行比較，當測量值與設定值的偏差超過一定閥值時，智能支架自動調整顯示屏上下、前后、左右，甚至前傾角度，使顯示屏處于用戶的最佳視覺范圍。根據用戶設置的工作時間表，當計時器的計時時間到達設定值時，智能支架會發出語音提醒，告訴用戶應該起身休息片刻。當用戶起身后計時器開始重新計時，直至用戶再次坐下，此時系統會判別用戶起身休息的時間是否達到最低要求，如果時間不足則再次發出語音提示。系統整體框圖如圖1 所示。

1.1 上位機主控電路

上位機是整個系統的核心部分，接收來自坐姿檢測裝置、人頭位置檢測和人機交互模塊的數據，根據數據處理結果控制支架電機運行使屏幕始終處于合理是位置，方便用戶使用。主控電路包括STM32FI03ZET6 單片機、NRF24L01 無線通信模塊、DRV8825 驅動模塊等核心器件，其中主要部分是支架步進電機和蝸輪蝸桿電機的控制，關系到屏幕位置調整的精度。步進電機驅動電路原理如圖2 所示。單片機輸出固定脈沖數StepPwm 和轉動方向StepDIR 來控制步進電機。使用兩個DRV8825 驅動模塊分別對機械臂上的兩個步進電機進行控制，為節省單片機輸出資源，采用一路控制信號通過一個數字選擇開關CD4052 芯片對兩路步進電機進行分時控制的方式，實現對機械臂上兩路步進電機轉動的角度控制。

上位機蝸輪蝸桿電機驅動電路如圖3 所示。蝸輪蝸桿電機本質上是一種可以進行直角動力傳動的直流電機，單片機通過ScrewPWM 信號來控制蝸輪蝸桿電機的轉動力度，通過ScrewDIR1 和ScrewDIR2 控制蝸輪蝸桿電機的轉動方向，通過ScrewCode1 和ScrewCode2 得到蝸輪蝸桿電機的實時轉動路程和速度反饋。電路使用一個雙路驅動的直流電機驅動模塊TB6612 進行旋轉角度控制。為節省單片機輸出資源，采用一路控制信號通過三個數字選擇開關CD4052芯片對兩路蝸輪蝸桿電機進行分時控制的方式，實現對機械臂上兩路蝸輪蝸桿電機轉動的角度控制。

圖3 上位機蝸輪蝸桿電機驅動控制電路

圖4 坐姿檢測裝置結構框圖

圖5 壓力傳感器A/D 轉換電路

1.2 人體坐姿檢測裝置

坐姿檢測裝置利用內置于坐墊里的壓力傳感器來檢測用戶是否正在使用液晶顯示屏，并對用戶坐姿重心信息進行采集判斷，相關參數經過處理后通過NRF24L01 無線射頻模塊發送給上位機。其結構如圖4 所示。檢測裝置內置了五個壓力傳感器，中間一個，四周各一個，主要任務是判斷用戶是否坐在屏幕前面以及大致坐姿。系統檢測到中間傳感器有效讀數后啟動本裝置，并通過采集外圍四個壓力傳感器數據，經A/D 轉換器處理成數字量的壓力數據，單片機進過算法處理后得到用戶坐姿重心判斷結果，最后經NRF24L01 無線通信模塊上傳給上位機。電路如圖5 所示。

1.3 人頭追蹤裝置

該裝置的主要作用是探測用戶頭部與屏幕正中位置的距離和角度，結合人體坐姿檢測裝置大致判斷出用戶所處的姿態，控制屏幕支架調整其空間位置。人頭追蹤裝置機械結構如圖6 所示。①為收發一體化超聲波測距模塊SR04T，負責對空間某一點進行距離測量。②和③都是舵機，其中②負責超聲波模塊的上下掃描運動，③負責超聲波模塊的左右掃描運動。控制電路如圖7 所示，SteeringGear1和SteeringGear2 分別是控制該裝置運動的兩個舵機旋轉控制接口，單片機輸出兩路不同占空比的PWM控制信號來分別控制兩路舵機需要轉動到達的角度。圖中Ultrasonic 是超聲波傳感器的電接口，超聲波模塊會把測得的距離穿換成相對應時長的高電平輸出脈沖，單片機通過檢測控制線上的高電平持續時間即可得到超聲波探頭測得的距離。

圖6 人頭追蹤裝置機械結構圖

圖7 舵機驅動控制電路

1.4 人機交互模塊電路

人機交互模塊電路主要由NRF24L01無線通信模塊接口、TFT4.3 寸觸摸彩屏接口和HBR640 語音播放識別模塊接口組成。單片機通過接口上兩個串口依據對應的特定串口傳輸命令協議對TFT4.3寸觸摸彩屏和HBR640 語音播放識別模塊進行界面顯示控制和語音播放識別命令，以完成人機交互的目的。電路原理如圖8 所示。

圖8 人機交互模塊電路

圖9 上位機軟件流程框圖

2 系統軟件設計

系統軟件主要包括上位機和下位機部分。上位機接收來自下位機的用戶坐姿信息，當有人坐下時啟動人頭追蹤裝置，測量計算出人頭相對于屏幕中心原點的空間坐標，并判斷是否要調整支架以及調整的角度。具體流程如圖9 所示。

下位機主要是人體坐姿檢測部分，通過采集壓力傳感器數據，分析用戶坐姿屬于前傾、后傾、左傾、右傾、正坐和無人坐下共六個狀態，并通過無線模塊上傳給上位機。具體流程如圖10 所示。

3 結論

本文提出了一種智能屏幕支架控制系統，通過人體坐姿檢測裝置和人頭追蹤裝置判斷用戶與屏幕的位置關系，通過相關算法控制支架電機運動，使屏幕始終處于較好的位置、角度，方便用戶使用。經實際測試，該系統整體穩定性能良好，人機交互體驗友好，屏幕位置和角度調整精度較高，用戶坐姿在合理的范圍內系統均能快速的調整的屏幕。

圖10 下位機軟件流程框圖