基于Wi-Fi通信的智能護眼系統設計

摘要：護眼系統可以緩解眼部疲勞且預防眼部疾病，但傳統的護眼系統存在數據傳輸不及時、無法實時交互、硬件成本高等問題。為了解決上述問題，設計了一款基于Wi-Fi 通信的智能護眼系統。該系統以STM32 單片機為控制核心，通過多種類型傳感器采集光照強度數據、超聲波數據和圖像數據，并利用Wi-Fi 通信實現無線傳輸。該系統具有數據傳輸及時、環境檢測準確、實時交互、成本低等特點。

關鍵詞：智能護眼；STM32 單片機；Wi-Fi 通信；環境檢測；實時交互

中圖分類號：TN929.5；TM923.02 文獻標識碼：A

0 引言

隨著社會的發展和科技的進步，人們的生活和工作越來越依賴電子設備。人們長時間接觸電子設備會使眼部疲勞，導致近視等諸多眼部疾病的出現，護眼設備可以緩解眼部疲勞且預防眼部疾病，但傳統的護眼系統存在傳輸數據不及時、無法實時交互、硬件成本高等問題[1-2]。針對這些問題，本文設計了一款基于Wi-Fi 通信的智能護眼系統，其具有數據傳輸及時、環境檢測準確、實時交互、成本低等特點，因此該系統具有重要的應用價值。

1 系統總體設計

本文設計的基于Wi-Fi 通信的智能護眼系統主要包括STM32 單片機、超聲波模塊、圖像采集模塊、光敏模塊、液晶屏模塊、語音播報模塊、Wi-Fi 模塊等。其中，超聲波模塊和光敏模塊能夠獲取當前的環境數據。STM32 單片機接收環境數據并進行分析和處理，以判斷當前人眼與設備的距離或者光照強度是否符合設定數值。當數據出現異常時，STM32 單片機會通過語音播報模塊提示用戶改善用眼環境以保護眼睛。同時，STM32單片機通過Wi-Fi 模塊連接路由器，其利用內網穿透技術（一種允許用戶通過公網訪問自己內網設備的技術）與終端進行實時交互，監護人在終端上可以查看圖像采集模塊實時傳輸的圖像。圖1為基于Wi-Fi 通信的智能護眼系統工作原理。

2 硬件系統設計

2.1 核心控制模塊設計

STM32F103C8T6 是由意法半導體公司（ST）生產的基于ARM 架構（一種電子產品處理器架構）的32 位微控制器，它提供了豐富的外設和功能，同時具有較高的靈活性和可編程性。STM32單片機含有豐富的通用輸入/ 輸出（generalpurposeinput/output，GPIO） 引腳， 可用于連接多個外部設備和傳感器，同時支持通用異步收發器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、串行外圍設備接口（serial peripheralinterface，SPI）、集成電路總線（inter-integratedcircuit，IIC）等協議，還帶有多個定時器，從而滿足正常的使用需求且不會造成資源浪費[3]。

2.2 超聲波模塊設計

該模塊由超聲波傳感器和控制電路組成，其核心是兩個超聲波傳感器。其中，一個超聲波傳感器充當發射器，將電信號轉換為40 kHz 的超聲波脈沖；另一個超聲波傳感器則監聽發射的脈沖，當接收到脈沖時，它會生成一個輸出脈沖，其寬度可用于確定脈沖傳播的距離[4]。圖2 為超聲波模塊電路，超聲波模塊的管腳2 為測距操作觸發腳，管腳3 為數據傳輸管腳。當測距操作觸發后，超聲波模塊會自動發送8 個40 kHz 的方波，并自動檢測是否有信號返回。當有信號返回時，超聲波模塊通過管腳3 輸出一個高電平，其持續時間即超聲波從發射到返回的時間。STM32 單片機從超聲波模塊的管腳3 接收到高電平信號持續時間，計算并得出測量距離。

2.3 ESP-8266 Wi-Fi 通信模塊設計

ESP-8266 Wi-Fi 通信模塊體積小并且功能全面，該模塊通過串口使用AT（attention）指令進行控制[5]。圖3 為ESP-8266 Wi-Fi 通信模塊電路，其中，ESP-8266 Wi-Fi 模塊管腳3 為數據接收腳，管腳4 為數據發送腳。當STM32 單片機需要進行數據上傳操作時，ESP-8266 Wi-Fi 模塊通過管腳3 接收STM32 單片機處理后的數據，再經過管腳4 將數據上傳到用戶終端供用戶查看。

2.4 JQ8400 語音播報模塊設計

JQ8400 語音播報模塊支持MP3 和WAV 等主流音頻格式，STM32 單片機通過串口可以向該模塊發送指令來控制播放語音。圖4 為JQ8400 語音播報模塊電路，其中，管腳7 與管腳8 分別連接左右聲道，管腳9 與管腳10 分別連接左右喇叭。當語音播報時，STM32 單片機通過管腳1 向JQ8400模塊發送指令，JQ8400 模塊根據指令選取存儲的語音文件即可進行播放。

2.5 光敏模塊設計

光敏模塊采用靈敏型光敏電阻傳感器，該光敏電阻傳感器由于采用比較器輸出，所以輸出信號干凈、波形好、驅動能力強，搭配可調電位器來調節檢測光線亮度。圖5 為光敏模塊電路，STM32 單片機通過管腳4 判斷光照強度是否改變，當環境光強度超過設定標準，管腳4 輸出低電平；當環境光強度低于設定標準，管腳4 輸出高電平。管腳1 為模擬電子信號輸出管腳，其輸出的模擬信號在進行模數轉換后，能夠使STM32 單片機獲取更準確的光照強度，以便后續使用液晶屏模塊進行展示。

2.6 圖像采集模塊設計

圖像采集模塊支持輸出最大為200 萬像素的圖像（分辨率為1 600×1 200 像素），當直接輸出JPEG 格式的圖像時，可以大幅減少數據量，從而方便網絡傳輸數據。根據不同的分辨率配置，傳感器輸出圖像數據的幀率為15 ～ 60 幀/s，工作時功率為125 ～ 140 mW。圖6 為圖像采集模塊電路，管腳6 與管腳12 為數據傳輸管腳，管腳8 為跳變電平信號輸出腳。STM32 單片機接收從管腳8 輸出的跳變電平信號后，即從圖像采集模塊的管腳6與管腳12 讀取圖像數據，然后通過Wi-Fi 模塊將圖像上傳至終端，供用戶查看。

3 軟件系統設計

3.1 采集端軟件系統設計

本系統采用花生殼平臺搭建服務器?；ㄉ鷼な且豢顒討B域名解析軟件，它能夠幫助用戶解析寬帶運營商提供的動態IP，并且通過固定域名對家庭或公司搭建的服務器進行遠程訪問和遠程管理。在通信過程中，花生殼軟件會將用戶提供的內網IP 地址與公網IP 地址進行映射綁定，用戶終端只需要訪問公網IP 地址，即可與STM32 單片機進行實時交互。智能護眼系統開啟后，首先，系統進行初始化；其次，STM32 單片機通過Wi-Fi 模塊與花生殼平臺建立連接，并將數據實時顯示在液晶屏模塊；最后，系統將處理后的數據進行上傳，供用戶在終端上查看。

3.2 客戶端軟件系統設計

智能護眼系統的移動終端基于HBuilder 平臺開發了一款簡便易用的手機APP。首先通過HTML、層疊樣式表（cascading style sheets，CSS） 來設計APP 的界面布局與樣式，并且使用JavaScript 添加APP 的交互邏輯。當用戶終端與內網設備有數據傳輸需求時，花生殼內網穿透軟件將內網設備IP 地址與公網IP 地址進行映射綁定。當用戶終端向該公網IP 地址提出訪問請求時，請求會先到達花生殼服務器，花生殼服務器會對請求進行解析；然后再轉發給內網設備，內網設備會將用戶所需數據發送給花生殼服務器；最后花生殼服務器將數據發送給用戶終端。本系統的移動終端可以在主界面對室內的人眼距離數據、光照強度數據進行實時顯示。

4 結論

本文采用STM32 單片機、多種傳感器和Wi-Fi模塊設計一款基于Wi-Fi 通信的智能護眼系統，該系統以STM32 單片機為控制核心，使用多種類型的傳感器采集室內的環境數據，分析當前環境是否適合用眼，及時提醒用戶進行護眼休息。此外，采用Wi-Fi 通信技術與花生KlTdFQo857QZnDEUR9Sl5g==殼軟件相結合的方案，擺脫局域網的限制，使終端用戶能夠實時和護眼系統進行信息交互，因此該系統具有重要的應用價值。

參考文獻

[1] 付龍，胡林林，陳焱強. 基于AT89C52 單片機的智能家居護眼臺燈系統設計[J]. 儀表技術，2023（4）： 18-21.

[2] 王成旭，陳燕慧，許崇陽. 物聯網智能家居護眼臺燈設計[J]. 電子制作， 2021，29（21）： 85-86，53.

[3] 趙德福，張楠楠，張曉. STC89C52 單片機的智能人體感應臺燈[J]. 電子世界， 2021（5）：137-138，141.

[4] 王鵬涵，周麗紅. 基于超聲波的智能護眼燈設計[J].無線互聯科技， 2022，19（18）： 32-34.

[5] 亓相濤，馬凱凱，王衛國. 基于ESP8266 的智能燈光控制系統硬件設計[J]. 物聯網技術，2024，14（1）：90-92，97.