為了提升工作和學(xué)習(xí)的健康與生活質(zhì)量，設(shè)計(jì)了一款基于物聯(lián)網(wǎng)的智能臺燈。該臺燈以STM32為主控，結(jié)合多種傳感器、語音播報(bào)和云平臺，具備視力保護(hù)、坐姿檢測、久坐提醒和智能控制等功能。實(shí)驗(yàn)表明，該臺燈可調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，能有效預(yù)防近視和駝背，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和市場潛力。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，臺燈正朝著智能化、節(jié)能方向發(fā)展。然而，長時(shí)間的不良姿勢導(dǎo)致的健康問題日益嚴(yán)重。因此，設(shè)計(jì)一款集視力保護(hù)、坐姿檢測和久坐提醒等功能的智能臺燈顯得尤為重要。與現(xiàn)有的單一功能智能臺燈不同，本設(shè)計(jì)結(jié)合多種傳感器和WiFi模塊，提供全面的健康保障和智能控制，提升了用戶體驗(yàn)。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由微控制器、超聲波傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器、語音播報(bào)模塊、WiFi通信模塊、LED燈模塊、電位調(diào)節(jié)器、按鍵、OLED顯示模塊、手機(jī)等模塊組成。系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)方面的功能：（1）智能控制功能，分為3種控制模式：(1)手動模式：通過電位器調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，通過按鍵設(shè)置久坐提醒時(shí)間、坐姿檢測閾值、學(xué)習(xí)時(shí)長閾值等基本信息；(2)自動模式：通過光敏傳感器自動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，以保護(hù)用戶視力；(3)遠(yuǎn)程控制模式：通過手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制光照調(diào)節(jié)，設(shè)置久坐提醒時(shí)間、坐姿閾值、學(xué)習(xí)時(shí)長閾值等信息；（2）坐姿檢測功能，通過超聲波傳感器檢測人體坐姿，實(shí)現(xiàn)不良坐姿的語音播報(bào)提醒；（3）久坐提醒功能，通過紅外傳感器檢測用戶是否久坐，并通過語音播報(bào)提醒；（4）定時(shí)提醒功能，通過設(shè)置工作、學(xué)習(xí)的定時(shí)長功能，保護(hù)身體健康。

各模塊電路設(shè)計(jì)

2、主控制器

本系統(tǒng)采用基于Cortex-M3內(nèi)核處理器芯片的STM32F103C8T6作為主控制器，如圖2所示，為單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，系統(tǒng)的所有開發(fā)都圍繞該芯片展開。該控制器最高支持72 MHz的時(shí)鐘工作頻率，48引腳的LQFP貼片封裝，包含64 KB的Flash，支持ADC、定時(shí)器、I2C、SPI和串口等多種外部設(shè)備，具有較高的穩(wěn)定性、較強(qiáng)的運(yùn)算速度及處理能力，并且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，功耗低，價(jià)格便宜。

超聲波傳感器模塊

用戶坐姿檢測功能的實(shí)現(xiàn)主要利用超聲波傳感器采集用戶與臺燈之間的距離實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用HC-SR04型超聲波傳感器，該傳感器具有3個(gè)部分：發(fā)射、接收和信號處理，其測量范圍達(dá)3～450 cm。工作原理為超聲波發(fā)射管腳Trig向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物則立即返回，超聲波接收器Echo接收到反射波則立即停止計(jì)時(shí)。由于聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，則根據(jù)記錄的時(shí)間t，從而計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即s=340 m/s×t/2。該模塊與主控制器模塊電路連接設(shè)計(jì)，如圖3所示。

紅外傳感器

紅外傳感器IR主要用來檢測是否有用戶使用臺燈，與主控制器中的定時(shí)計(jì)數(shù)器相結(jié)合用來檢測用戶是否久坐功能。紅外傳感器主要由紅外發(fā)射器、紅外接收器和電位器組成。其工作原理為：根據(jù)物體的反射特性，如果沒有障礙物，發(fā)射的紅外線會隨著它傳播的距離而減弱并最終消失；若有障礙物，當(dāng)紅外線遇到障礙物時(shí)，射線會被反射回紅外接收器，然后紅外接收器檢測到該信號并確認(rèn)有障礙物。電位器可以調(diào)節(jié)檢測距離，其檢測距離的范圍為2～60 cm，檢測角度為35°。該模塊與主控制器模塊電路連接設(shè)計(jì)如表1所示。

圖2 STM最小系統(tǒng)電路

圖3 HC-SR04超聲波傳感器電路設(shè)計(jì)

表1 IR與STM32的連接

語音播報(bào)模塊

語音播報(bào)模塊主要用于提醒用戶久坐和坐姿檢測。該模塊采用JR6001語音模塊，它支持MP3、WAV高品質(zhì)音頻格式、24位ADC輸出和兩線串口控制，具有4 MB存儲器內(nèi)存，自帶3 W功放，連接喇叭。該模塊與主控制器模塊電路連接設(shè)計(jì)如圖4所示

圖4語音播報(bào)模塊電路設(shè)計(jì)

WiFi通信模塊

WiFi通信模塊主要用于遠(yuǎn)程控制智能臺燈。本系統(tǒng)借助機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，將采集的數(shù)據(jù)通過WiFi上傳到物聯(lián)網(wǎng)云平臺，然后下載手機(jī)App，即可對下位機(jī)硬件進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置控制模式和各傳感器閾值等信息。

本系統(tǒng)采用的WiFi模塊為ESP8266，該模塊有3種工作模式：（1)AP模式，即ESP8266作為熱點(diǎn)被其他設(shè)備連接；（2)STA模式，即ESP8266通過路由器連接至互聯(lián)網(wǎng)；（3)AP+STA模式，即前2種的共存模式。

由于本系統(tǒng)是將WiFi模塊作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺機(jī)智云和下位機(jī)數(shù)據(jù)通信的橋梁，機(jī)智云配置WiFi有SoftAP和AirLink 2種模式。SoftAP模式是指設(shè)備本身將成為一個(gè)AP，智能手機(jī)可直接與設(shè)備進(jìn)行連接，然后在手機(jī)上的界面上輸入路由器的SSID和密碼，設(shè)備接收到信息的時(shí)候自動嘗試連接路由器，連接成功則自動切換到正常使用的一種模式。AirLink模式是指機(jī)智云對各種SmartConfig、SmartLink這種UDP廣播報(bào)文方式對設(shè)備配置入網(wǎng)的技術(shù)統(tǒng)稱的一種模式，該模式要求其內(nèi)部SDK已經(jīng)內(nèi)置AirLink技術(shù)。

為了便于手機(jī)APP自動配置相關(guān)信息，本系統(tǒng)將WiFi模塊設(shè)置為AirLink模式，其內(nèi)置的SDK可通過機(jī)智云官網(wǎng)下載，然后通過串口寫入WiFi模塊。WiFi模塊與主控制器的電路連接如圖5所示。

圖5 ESP8266與STM32的連接

OLED顯示模塊

為了增加智能臺燈與用戶的交互界面，本系統(tǒng)采用OLED屏顯示智能臺燈當(dāng)前的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。顯示屏為0.96寸的顯示屏幕，該屏幕具有功耗低、體積小、視覺廣、反應(yīng)速度快、構(gòu)造及制造簡單等優(yōu)勢，該模塊與主控制器通信方式采用IIC總線，電路連接設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 OLED 顯示屏電路設(shè)計(jì)

電位器及光敏電阻

為了增加智能臺燈視力保護(hù)功能，設(shè)置了自動調(diào)節(jié)模式，在該模式下系統(tǒng)可自動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。本系統(tǒng)采用了光敏電阻作為感知環(huán)境亮暗的傳感器，根據(jù)光敏電阻采集的數(shù)據(jù)，自動設(shè)置光照強(qiáng)度，用以保護(hù)用戶視力。同時(shí)，系統(tǒng)也具備傳統(tǒng)的手動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，因此，增加了旋轉(zhuǎn)電位器，用于手動調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，由于電位器接法較為簡單，可直接接在STM32的IO口，因此，直接將電位旋轉(zhuǎn)器的控制管腳與STM32的PA4管腳相接。圖7為光敏電阻電路設(shè)計(jì)。

圖7 光敏電阻電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：下位機(jī)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)手機(jī)APP設(shè)計(jì)。由于采用物聯(lián)網(wǎng)云平臺———機(jī)智云，手機(jī)APP可直接采用該平臺中的組件，該模塊設(shè)計(jì)較為簡單，此處不再贅述。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)基于Keil開發(fā)環(huán)境，采用C語言編寫，其流程如圖8所示。下位機(jī)程序主要包括各模塊驅(qū)動代碼的編寫及單片機(jī)內(nèi)部資源中斷、定時(shí)器、串口的使用。中斷程序主要用于工作模式及閾值的設(shè)置；定時(shí)器程序主要用于坐姿檢測、久坐、學(xué)習(xí)時(shí)長等功能；串口程序主要用于語音播報(bào)、WiFi連接等功能。

圖8 主程序流程

測試與分析

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的智能臺燈系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。下面分別從3種工作模式對該系統(tǒng)進(jìn)行測試。

圖9 智能臺燈系統(tǒng)實(shí)物

手動模式功能測試

系統(tǒng)上電后，根據(jù)按鍵選擇手動工作模式，設(shè)置坐姿檢測距離閾值、學(xué)習(xí)時(shí)長、久坐提醒時(shí)長等基本信息。其測試結(jié)果如表2所示。

表2 手動模式功能測試

自動模式功能測試

自動模式與手動模式最大的區(qū)別在于LED燈光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)不需要人為操作，而是通過光敏傳感器采集周圍環(huán)境，自動調(diào)節(jié)光照。其測試結(jié)果如表3所示。

遠(yuǎn)程模式功能測試

遠(yuǎn)程模式是用手機(jī)APP選擇工作模式，同時(shí)信息同步至OLED屏。遠(yuǎn)程模式用戶可手動設(shè)置光照強(qiáng)度，設(shè)置坐姿檢測距離閾值、學(xué)習(xí)時(shí)長、久坐提醒時(shí)長等基本信息。其測試如圖10、圖11所示。

圖10 選擇工作模式

測試結(jié)果表明，下位機(jī)OLED顯示屏上的數(shù)據(jù)與手機(jī)APP中設(shè)置的閾值數(shù)據(jù)保持一致，且各項(xiàng)功能測試均正常。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，3種模式下，各功能測試均表現(xiàn)正常，且符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的多功能智能臺燈系統(tǒng)，通過測試，各項(xiàng)功能均運(yùn)行正常，符合設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)具有視力保護(hù)、坐姿檢測、定時(shí)提醒、語音播報(bào)等功能，不僅能夠保證用戶的身心健康，同時(shí)也提升了用戶對智能化產(chǎn)品的體驗(yàn)效果，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和便捷性，有一定的市場潛力，為智能家居的設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值。

本設(shè)計(jì)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

(1）將傳統(tǒng)的具有照明功能的臺燈與物聯(lián)網(wǎng)云平臺相結(jié)合，可以通過物聯(lián)網(wǎng)云平臺或手機(jī)APP遠(yuǎn)程進(jìn)行查看、設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)信息；

(2）系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3種控制方式：手動模式、自動模式和遠(yuǎn)程模式，既考慮了傳統(tǒng)方式又兼顧了智能化方式；

(3）各參數(shù)閾值設(shè)定不再是在程序中固定方式，而是可以通過上位機(jī)App或下位機(jī)隨時(shí)設(shè)定，既方便用戶更改閾值，又可以不用再次下載下位機(jī)程序。

在系統(tǒng)功能方面，仍可以進(jìn)一步探索和完善：

(1）由于系統(tǒng)可以聯(lián)網(wǎng)，因此可以考慮加入語音識別功能，實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)對話功能，使得系統(tǒng)更加人性化；

(2）可以考慮增加攝像頭功能，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控孩子學(xué)習(xí)情況等。