電子屏幕智能防近視系統

王浩 程進 張春倩 諶珍雨 孫超

北京信息科技大學北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

近年來，隨著手機、平板電腦的普及和因特網的迅速發展，很多人在工作和生活中習慣于長時間使用電腦、手機等電子產品。網上查資料、網上聊天、網上找工作、網上玩游戲等已成為當今人們獲取信息及休閑娛樂的重要方式[1]，尤其是2020 年上半年，新冠肺炎疫情造成學校停課，網絡學習和“云端”教學更是成為了孩子們的日常[2]。長時間近距離觀看電子屏幕成為目前青少年近視率迅速增加的主要原因，同樣，很多上班族也面臨著一樣的處境，他們因為工作原因，需要長時間坐在電子屏幕前，逐漸靠近電子屏幕這一舉動經常是無意識的[3]，長時間近距離地觀看屏幕會給眼睛帶來很大的傷害，最直觀的表現就是眼鏡族的增加。

眾所周知，近距離地看電子屏幕對眼睛是有很大傷害的，這是因為電子屏幕發出的光譜中，藍光的強度比綠光高出60%，相對的，自然光中藍光比綠光要低30%[4]。電子產品的屏幕發出高能短波藍光，是僅次于紫外線的高能量短波長光源，它能夠穿透眼睛前面的角膜、晶狀體直達眼底視網膜。人眼前部對不同波長的光有不同的阻礙能力，例如不戴太陽鏡，只有少于百分之一的紫外線會到達視網膜，但幾乎所有的藍光都能到達視網膜[5]。研究發現，長時間、近距離使用電子產品會加速近視的發生與進展[6]。基于以上情況，設計一套具有提醒報警功能的電子屏幕智能防近視系統是很必要的。

目前，關于該領域的相關研究還很少，大部分研究只是停留在理論層面，探究屏幕對眼睛的傷害機制，相對地提出一些建議。雖然有采用ZigBee 來實現監測電子屏幕觀看距離的研究[3]，但是采用ZigBee 的系統有一個較大的缺陷便是價格相對昂貴，不適合批量生產，且同樣需要使用單片機最小模塊。同時，考慮到51 單片機不具備自編程能力，本研究采用了STM32單片機來實現各個模塊間的控制。

此系統的檢測模塊由紅外人體傳感器與超聲波測距傳感器構成，能夠感知人體并實現實時測距的功能；報警模塊由LED 燈與語音模塊組成，相比于單一的報警形式，能夠從聲光兩方面實現報警提醒，使人遠離屏幕，達到保護眼睛的目的。

1 系統設計

1.1 系統的總體框架

系統整體由控制模塊、檢測模塊、報警模塊組成。控制模塊由STM32 單片機控制；檢測模塊由紅外人體傳感器和超聲波測距傳感器構成；報警模塊由LED 燈、語音模塊與揚聲器組成。當檢測模塊中的紅外人體傳感器檢測到人體信號，并且測距傳感器檢測到的距離到達甚至小于設定的閾值時，控制模塊就會使報警模塊工作，發出提醒。系統結構圖如圖1 所示。

1.2 系統的硬件設計

此系統由STM32 單片機、人體紅外傳感器、超聲波測距傳感器、LED 燈、YS-M3 語音模塊以及揚聲器組成。電路原理圖如圖2 所示。

1.2.1 系統的控制模塊

系統采用STM32 單片機（STM32F103RCT6）作為核心處理器，主要負責兩部分信號的傳遞。首先，接收來自人體傳感器傳輸的信號，判別高低電平，在接收到高電平信號時使測距傳感器開始工作；其次，在測距傳感器檢測到的距離小于等于設置的閾值時，單片機會使報警模塊開始工作，發出警報。

1.2.2 系統的檢測模塊

系統的檢測模塊由一個人體紅外傳感器（HCSR501）和一個超聲波測距傳感器（HC-SR04）構成。將人體紅外傳感器與測距傳感器集成在一起，并放置在電子屏幕的正上方。首先，人體傳感器一直處于啟動狀態，當屏幕前沒有人時，傳感器感受不到人體信號，會向單片機輸出低電平信號；當屏幕前有人存在時，傳感器便能接收到人體信號，同時向單片機輸出一個高電平信號。單片機在接收到來自人體傳感器的高電平信號時，會使測距傳感器開始工作，測距傳感器就可以實時檢測人體與測距傳感器之間的距離。

人體紅外傳感器的設置是為了能讓系統具備防止誤報的功能。單單一個測距傳感器也能實現測距的功能，但如果進入屏幕前范圍的不是人而是其他物體，例如一本書、一個紙袋等等，在滿足條件時也會讓系統報警，然而這樣的報警是我們不希望發生的，我們期望的是只有人體這一個對象能夠引起系統的反應，因此，人體傳感器的設置是必要的。

1.2.3 系統的報警模塊

系統的報警模塊由LED 燈、語音模塊（YS-M3）與揚聲器構成。在接收到單片機的信號時，LED 燈會閃爍，同時語音模塊也開始工作，并通過揚聲器將預先設置好的提示語音播放出來，提醒使用者遠離屏幕。

1.3 系統的軟件設計

本系統使用KEIL5 軟件編寫，系統的流程圖如圖3 所示。

首先初始化系統，使人體傳感器處在工作狀態，當有人體進入傳感器感受范圍內時，人體傳感器感受到人體存在，測距傳感器開始工作，測量人體與測距傳感器之間的距離，當這個距離小于設置的閾值時，系統中的聲光報警就會啟動，LED 燈開始閃爍，揚聲器會播放語音模塊中的錄音。

2 系統功能的實現與驗證

首先，將測距傳感器、人體紅外傳感器、LED 燈、語音模塊正確地連接到STM32 單片機的相應引腳上，揚聲器連接到語音模塊的引腳上，將測距傳感器與人體紅外傳感器集成到一起，使二者在一個平面，以便于更精確地檢測信號；其次，各個模塊的擺放位置并不是固定的，這里建議將傳感器模塊固定在電子屏幕的正上方，LED 燈與揚聲器則固定在電子屏幕的一側；最后，接通電源，使系統處于工作狀態。

系統使用的測距傳感器的最大探測距離是4.5 m，人體紅外傳感器的最大探測距離是7 m，因此，此系統的最大有效應用距離為4.5 m。實驗中利用筆記本電腦屏幕來測試該系統，將感應模塊放置在筆記本電腦屏幕的正上方，當人坐在電腦屏幕前方時，測距傳感器測量的正是人體頭部到電腦屏幕的距離，同時人體紅外傳感器也可以感應到人體信號。眼睛距離屏幕最佳距離約為一臂之長，將測距傳感器的閾值設置為25 cm（認為眼睛與屏幕的距離小于25 cm 即為危險值）。經過多次測試，每次測試都會引起報警系統工作，因為語音模塊中錄制的語音有零點幾秒的空白，所以報警系統的表現為LED 燈先閃爍，隨即語音模塊外接的揚聲器發出語音提醒。

3 結束語

人體紅外傳感器與測距傳感器的結合使用，使得系統在具備測距功能的基礎上還兼具防誤報功能，增加了系統的精確性，減少了系統誤報，使此套系統的現實應用成為可能。

另一方面，此系統也還存在一些不足之處，雖然報警模塊發出聲光提醒，可是并不能強制使人遠離電子屏幕，可能會出現部分使用者不顧系統提醒，依舊靠近屏幕的情況，未來可以在這方面著手進行改進工作。

目前，有很多關于眼睛健康與電子屏幕的調查，這些研究最后都基于研究發現給人們提供了一些保護眼睛的建議。但是卻較少有致力于硬件設施的研究。考慮到這樣的不平衡性，研發該系統可以盡可能幫助人們在使用電子屏幕時注意保持眼睛與屏幕的距離，有利于保護視力，以免造成不可逆轉的傷害。