具有坐姿糾正與人體感應的多功能智能臺燈

廣東工貿職業技術學院 胡應坤 張 萍 賴 健

目前市場上已有的智能臺燈功能相對單一，已有的坐姿糾正檢測誤報率比較高且安裝不便，實用性不強。本設計集合了人體感應檢測，低頭坐姿檢測，手動、自動、夜燈三種模式切換，OLED顯示功能，手機APP監控調節多種功能于一體。調試結果表明，本智能臺燈為使用者帶來一個適宜舒適的照明環境，同時起到保護視力，促使養成良好坐姿習慣的作用，具有較高的經濟價值。

隨著科技的發展，智能產品滲透到我們生活的各個領域，臺燈已是千家萬戶的必須生活用品，在光線不足的情況下為人們補充適當光線，這就是傳統臺燈的基本功能。但隨著人們生活水平的提高，臺燈的功能不僅僅滿足于普通的照明。近年來，青少年中近視的發病率逐年上升。經調查發現近視的學生中80%左右是家里或者學校的照明條件不符合照明用眼標準；90%中小學生寫作業時坐姿不規范，經常性近距離閱讀、趴著看書學習等等，時間長了很容易導致近視、腰肢勞損等疾病，基于以上調查，本團隊設計了一款坐姿糾正與人體感應的智能臺燈。

本作品以目前應用非常廣泛、高性價比的STM32f407微處理器作為主控制器，結合按鍵檢測技術、紅外檢測技術、藍牙通信技術、NRF無線通信、語音交互、串口通信技術、spi總線通信技術、OLED顯示、人體感應、PWM調節、光照度傳感器、溫濕度傳感器等技術進行綜合設計的一款坐姿糾正與人體感應的智能臺燈。

整個智能臺燈分成臺燈主體和低頭檢測支柱兩大部分，兩部分通過NRF無線通信實現數據交互，省去了有線連接的麻煩。臺燈主體分成底座和燈板兩部分，兩邊的低頭檢測支柱安裝有紅外對管，用于檢測使用者是否低頭彎腰，并可通過臺燈底座的按鍵選擇低頭報警高度閾值，兩邊支柱采用可調節的固定夾固定住，最寬距離可達到3m。

1 項目設計的基本思路

整個智能臺燈硬件系統分成臺燈主體和低頭檢測兩部分，通過NRF無線通信實現命令和數據的交互。

1.1 臺燈主體硬件框架和實現原理分析

如圖1是臺燈主體硬件電路框圖。電源電路分為鋰電池充放電電源管理、電源穩壓兩個主要部分。采取USB供電方式時，在向電路供電同時也向鋰電池充電。當沒有外接USB供電時，采取鋰電池供電。穩壓電路主要是將USB的5V電源通過降壓型DC/DC轉換器轉變為3.3V供給電路。溫濕度傳感器檢測當前環境下的溫濕度并顯示在臺燈OLED顯示屏上。人體紅外感應模塊檢測燈前是否有人，做到人走燈自動關閉、有人自動開啟，節省電能。光敏傳感器用于臺燈自動模式下采集當前環境亮度，并反饋給主處理器使得臺燈亮度自動改變。亮度、色溫2個按鍵用于手動模式調節亮度和色溫。模式切換按鍵用于循環切換臺燈的自動模式、手動模式、夜燈模式。低頭距離調節按鍵用于設定低頭檢測的報警距離閾值，檢測是否低頭和彎腰駝背，確保使用者保持正確的坐姿。語音模塊通過串口接收主處理器的詞條，播報相應的語音提醒。采用PWM無極調壓方式調節LED燈亮度和色溫，達到適宜的工作學習燈光環境。NRF無線通信模塊與低頭檢測主板進行命令和數據的交互。OLED顯示屏用于實時顯示當前溫度、濕度、模式以及當前時間。自主設計的智能臺燈手機APP通過藍牙與主處理器實現命令和數據的交互。

圖1 臺燈主體硬件電路框圖

1.2 臺燈低頭檢測主板硬件框架和實現原理分析

如圖2所示為臺燈低頭檢測主板硬件電路框圖。低頭檢測主板與臺燈主板利用NRF24L01實現無線通信，接收臺燈主板發送的按鍵命令，從而激活對應的激光二極管發光和相應的紅外接收器，如果使用者低頭，則擋住了紅外接收器，處理器把觸發信號通過NRF無線通信傳送到臺燈主體，臺燈主處理器開啟定時器計時，如果超過6s仍然接收到低頭檢測信號，則自動關閉燈光，并發出語音提醒：“臺燈已關閉，請注意坐姿”。如果使用者端正好坐姿抬頭后，則主處理器恢復開啟燈光。讓使用者時刻保持良好的坐姿和抬頭姿勢。當然，如果使用者不想使用此功能，可關閉低頭檢測主板的電源開關，或者采用手機APP遙控關閉。

圖2 臺燈低頭檢測主板硬件電路框圖

2 程序設計流程分析

臺燈主體的程序設計的編譯環境采用MDK5.25，采用C語言編寫程序。

2.1 臺燈主體程序分析

程序設計流程如圖3所示。臺燈接上電源后，系統各部分復位初始化，包括如下模塊：臺燈主體主芯片、溫濕度傳感器、人體感應傳感器、光敏傳感器、4個按鍵、語音模塊、PWM控制、NRF無線通信模塊、OLED顯示屏。

圖3 臺燈主體程序設計流程

程序化完畢后，臺燈會發出語音提示：“歡迎使用防近視智能臺燈”，并顯示當前環境的溫濕度，然后進入while(1)循環，判斷模式切換按鍵是否按下，如果按下則改變變量i的值，如果i=1則啟動自動模式，如果i=2則啟動手動模式，如果i=3則啟動夜燈模式，沒按下則默認模式是自動模式。每選擇一種模式都有相應的語音提醒。下面分別描述3種模式和兩個子程序模塊的工作過程。

（1）自動模式

首先讀取環境的亮度值和溫度，然后根據設定的規則自動調節臺燈亮度和色溫，環境光線越亮臺燈則變暗。環境溫度越高，則色溫越低，環境溫度越低，則色溫越高。調節完畢進入檢測周圍是否有人的子程序。

（2）手動模式

如果亮度調節按鍵按下，則亮度逐漸變亮，到最亮后，又從最暗開始逐漸變亮，如此循環往復；如果色溫調節按鍵按下，則色溫逐漸變高，到最高后，又從最低開始逐漸變高，如此循環往復；調節完畢或者無按鍵按下則進入檢測周圍是否有人的子程序。

（3）夜燈模式

已經在程序設置了一個固定的低亮度值和柔和的色溫值，不可手動調節和自動調節，關閉了檢測周圍是否有人和低頭檢測功能。此模式可以替代夜光燈使用，省去了單獨購買的麻煩。

（4）檢測周圍是否有人的子程序

判斷臺燈周圍是否有人，如果沒人，則啟動定時器定時60s后，如果周圍還是沒人，則自動關閉臺燈，但如果檢測到有人，則會自動打開臺燈，并保持關閉之前的亮度和色溫。如果有人則轉到執行低頭檢測的子程序。

（5）低頭檢測的子程序

如果檢測到人體坐姿不正確，語音提醒：“你的坐姿不對了，請注意抬頭挺胸”，并啟動定時器定時6s后，如果繼續檢測到低頭，則自動關閉臺燈，并語音提醒：“臺燈已關閉，請注意坐姿”，如果恢復正確坐姿，則打開臺燈，保持關閉之前的亮度和色溫。如果人體坐姿正確，則保持臺燈的亮度和色溫值不變，并再次進入判斷臺燈模式的循環監測。

2.2 臺燈低頭檢測主板程序分析

如圖4所示為臺燈低頭檢測程序設計流程圖。臺燈低頭檢測主板同樣在通電后進行主芯片的初始化、激光二極管和紅外接收對管相應IO引腳的初始化、并把紅外接收管的信號引腳設置為外部中斷、NRF無線通信模塊的初始化，初始化完成之后不斷查詢臺燈主板是否發送新的按鍵值命令過來，有則使能相應的激光二極管和紅外接收管。如果發生相應的外部中斷，則可判斷使用者低頭距離低于報警閾值，并把此標志位發送給臺燈主板。

圖4 臺燈低頭檢測程序設計流程圖

2.3 智能臺燈手機APP設計分析

手機端APP采用Android集成開發環境的JAVA語言實現，顯示控制界面能夠實現臺燈的打開和關閉、模式選擇、手動模式下臺燈亮度和色溫調節等。

3 智能臺燈制作實物調試結果

本設計已經制作出實物，其使用場景能夠實現三種模式切換。在自動模式下能自動調節亮度和色溫，手動模式下通過按鍵或者手機APP能調節亮度和色溫，夜燈模式能以固定的低亮度和色溫呈現。能自動感應周圍是否有人，四個檔位的低頭檢測距離報警閾值都能實現，語音提醒功能正常，OLED屏幕能正常顯示當前的溫濕度和時間、模式等功能。