具有環(huán)境質(zhì)量與學(xué)習(xí)狀態(tài)監(jiān)測功能的LED臺燈

摘要：本設(shè)計提出的具有環(huán)境質(zhì)量與學(xué)習(xí)狀態(tài)監(jiān)測功能的LED臺燈，從光源設(shè)計本身、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與報警功能、學(xué)習(xí)注意力監(jiān)測功能等方面為學(xué)生提供一種全方位的安全保障，同時也通過語音識別與觸摸屏等方式提供十分友好的交互方式，使臺燈成為學(xué)生學(xué)習(xí)的真正好伙伴。

關(guān)鍵詞：LED光源；臺燈；環(huán)境監(jiān)測；有害氣體；PM2.5

中圖分類號 ： TM923 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）10（B）-0000-00

1 智能化臺燈的設(shè)計目標(biāo)

在這個“談霾色變”的時代，給學(xué)生一個安全舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境是萬千家長的心聲。空氣凈化器走進(jìn)了千家萬戶，但它到底有沒有實際效果，許多家長心里還是帶著一個問號。臺燈作為學(xué)生在房間里學(xué)習(xí)必不可缺的用具，本設(shè)計提出的安全舒適學(xué)習(xí)用智能化LED臺燈，將從光源設(shè)計本身、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測與報警功能、學(xué)習(xí)注意力監(jiān)測功能等方面為學(xué)生提供一種全方位的安全保障，同時也通過語音識別與觸摸屏等方式提供十分友好的交互方式，使臺燈成為我們學(xué)生學(xué)習(xí)的真正好伙伴。

2 智能化臺燈的設(shè)計特點

本具有環(huán)境質(zhì)量與學(xué)習(xí)狀態(tài)監(jiān)測功能的LED臺燈：

（1）采用陣列分布的LED光源，可有效保護(hù)學(xué)生學(xué)習(xí)的視力：傳統(tǒng)的日光燈使用的是交流電，每秒會產(chǎn)生100-200次頻閃，而在本發(fā)明中采用寬色溫?zé)o頻閃的LED光源，使用恒流工作方式，把交流電直接轉(zhuǎn)換為直流電，有效減少LED光衰，啟動快，無閃爍，保護(hù)學(xué)生眼睛。

（2）具有溫濕度監(jiān)測與顯示功能：可實時監(jiān)測房間溫度、濕度并顯示在LCD液晶屏上，當(dāng)溫度或濕度超過一定閾值，會發(fā)出報警提示語音，提醒學(xué)生需要增減衣物，或者提醒學(xué)生需要開窗通風(fēng)或喝水。

（3）具有室內(nèi)有害氣體監(jiān)測功能：有害氣體檢測包含對甲醛、一氧化碳、甲烷、酒精等對人體有害的有機(jī)氣體的綜合檢測。室內(nèi)氣體環(huán)境由于受家庭裝修、炒菜油煙、天然氣使用和開窗通風(fēng)時的外界環(huán)境影響，氣體成分復(fù)雜且濃度變動較大，而本設(shè)計可對有害氣體進(jìn)行綜合監(jiān)測，實時提醒家長關(guān)注室內(nèi)空氣質(zhì)量，確實保證學(xué)生健康的呼吸環(huán)境。

（4）具有PM2.5顆粒參數(shù)監(jiān)測功能：PM2.5等可吸入顆粒物日益成為生活中較受關(guān)注的問題，而天氣預(yù)報軟件發(fā)布的報告僅為室外可吸入顆粒物的平均值，并不能成為室內(nèi)PM2.5的參考。本設(shè)計中的PM2.5模塊可實時檢測室內(nèi)可吸入顆粒物濃度，當(dāng)可吸入顆粒物達(dá)到一定濃度值，將發(fā)出報警信號，提醒學(xué)生或家長注意室內(nèi)衛(wèi)生，保證學(xué)生干凈健康的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（5）學(xué)生學(xué)習(xí)注意力狀態(tài)提醒功能：本設(shè)計配套有腦電監(jiān)測頭戴設(shè)備，腦電檢測頭戴可實時檢測學(xué)生的腦電波，并分析數(shù)據(jù)將注意力值實時發(fā)送至臺燈端的控制芯片。臺燈端不僅可以顯示學(xué)生的注意力值，還能在學(xué)生注意力不集中時進(jìn)行溫和提醒，使學(xué)生能專注學(xué)習(xí)，提高學(xué)習(xí)效率。

（6）采用觸摸屏與語音控制雙重交互方式：傳統(tǒng)聲控開關(guān)只是聲音幅值檢測，并沒有語音識別開關(guān)功能。本設(shè)計使用特定語音的開關(guān)與調(diào)節(jié)，只需喊出“開燈”、“關(guān)燈”、“調(diào)亮”、“調(diào)暗”，便可方便地控制臺燈。對學(xué)生來說，不僅有趣味性，而且更加方便和實用。

（7）鬧鐘提醒功能：通過臺燈液晶屏可設(shè)置兩個鬧鐘，一個為起床鬧鐘，一個為睡覺鬧鐘。通過觸摸屏可進(jìn)行鬧鐘時間設(shè)置和開關(guān)控制。在指定時間為學(xué)生用語音提供鬧鐘功能。

3 智能化臺燈的設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計特點進(jìn)行分析設(shè)計，安全舒適學(xué)習(xí)用智能化LED臺燈模塊框圖，主要包括以下功能模塊：

（1）處理器模塊：考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性、實時性、數(shù)據(jù)處理能力以及低成本性的要求，該處理器模塊采用是ST公司推出的STM32F103VET6芯片。該芯片以ARM 32位的Cortex-M3為內(nèi)核，可提供最高72MHz的工作頻率。片上集成并行LCD接口、I2C、SPI、USART、ADC和SDIO等豐富的控制接口，因此可以滿足本系統(tǒng)的功能需求。

（2）電源模塊：電源模塊的設(shè)計對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性至關(guān)重要。系統(tǒng)的供電電路主要包括三路，分別是12V、5V和3.3V。三路電壓分別通過電源轉(zhuǎn)換芯片得到。電源經(jīng)過整流、濾波和穩(wěn)壓，最終提供系統(tǒng)穩(wěn)定的供電電壓。

（3）LED驅(qū)動電路：采用GPIO接口對LED光源進(jìn)行控制，并可通過PWM波形占空比調(diào)節(jié)來實現(xiàn)臺燈亮度的調(diào)節(jié)。

（4）LCD觸摸屏：采用武漢中顯的串口觸摸屏，可直接通過UART接口發(fā)送指令，進(jìn)行LCD顯示與觸摸輸入交互。

（5）溫濕度傳感器：本設(shè)計的溫濕度傳感器采用SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，實現(xiàn)對空氣溫度和濕度的采集，并將采集的數(shù)據(jù)用兩線制串行接口發(fā)送給MCU。SHT10是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有超低功耗和長期穩(wěn)定性的特點。

（6）PM2.5監(jiān)測模塊：PM2.5模塊采用DSM501A傳感器，實現(xiàn)對可吸入顆粒物的實時采集，并將采集信號發(fā)送給MCU。PM2.5模塊可調(diào)節(jié)靈敏度，可設(shè)置檢測顆粒物直徑1um和2.5um，室內(nèi)香煙、灰塵、霉菌、花粉、孢子均可被檢測到。

（7）有害氣體監(jiān)測模塊：TGS2600傳感器芯片，可檢測甲醛、酒精、一氧化碳、甲烷等有機(jī)氣體綜合濃度。

（8）FLASH模塊：FLASH模塊可通過STM32芯片自帶的SPI接口進(jìn)行通訊，主要存儲音樂MP3與語音提醒MP3文件。

（9）語音識別與輸出模塊：語音識別與輸出模塊采用了識別/輸出一體化模塊LD3320芯片，該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括ADC、DAC、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。該芯片不需要外接任何芯片如FLASH、RAM等，可直接集成在現(xiàn)有的產(chǎn)品中，實現(xiàn)語音識別/聲控/人機(jī)對話等功能。

（10）.藍(lán)牙通訊模塊：設(shè)計所使用的藍(lán)牙模塊采用HM10主從一體式藍(lán)牙4.0芯片，該模塊具有集成度高、穩(wěn)定性好、功耗低、外圍電路少等優(yōu)點，完全滿足本系統(tǒng)的需求。

4 智能化臺燈的測試方案

（1）.該設(shè)計的測試分為硬件測試、軟件測試、軟硬件聯(lián)調(diào)測試與整體機(jī)器總體測試四個步驟。必須要按序進(jìn)行。一旦發(fā)現(xiàn)問題將進(jìn)行問題反饋與修正，重新提交測試。

（2）硬件測試主要包括各硬件模塊的功能測試，首先是電源模塊測試，然后是處理器模塊測試，接下去就是各個硬件模塊的單獨測試，確保各硬件組成部分的芯片與連接的完好。

（3）軟件測試主要指應(yīng)用軟件的測試，按照設(shè)計功能要求進(jìn)行完整的功能性測試，確保各個功能均可正常運行。軟件測試分模塊進(jìn)行測試，LED模塊、LCD觸摸屏模塊、溫濕度傳感器模塊、有害氣體監(jiān)測模塊、PM2.5監(jiān)測模塊、語音模塊、FLASH模塊、藍(lán)牙模塊等單獨測試，每個模塊測試通過后，再整合模塊進(jìn)行測試。單獨測試通過后，整合測試往往會出現(xiàn)問題，原因是各個模塊會有相互影響的因素，如中斷嵌套、任務(wù)搶占、任務(wù)棧內(nèi)存溢出。因此需要進(jìn)行中斷優(yōu)先級調(diào)整、任務(wù)優(yōu)先級調(diào)整、任務(wù)棧大小調(diào)整。

（4）軟硬件聯(lián)調(diào)測試包括正常工作狀態(tài)下的測試與異常工作狀態(tài)下的測試，在此過程中，要增加一些容錯性處理。要考慮到學(xué)生的操作習(xí)慣、錯誤操作，模擬出多種可能出錯的狀況，進(jìn)行全面測試，針對不同情況增加軟件上的處理。

5 結(jié)語

在本設(shè)計中，除了電路設(shè)計之外，美觀大方的工業(yè)化設(shè)計造型是決定發(fā)明設(shè)計是否可以真正成為產(chǎn)品的關(guān)鍵。考慮到產(chǎn)品的受眾定位，設(shè)計性價比要盡可能高。在設(shè)計過程中，為將來的產(chǎn)品化定型要考慮系列化，高端用戶可能包括全部功能，中端用戶只包括一部分功能，因此在本設(shè)計過程中充分考慮到了模塊化設(shè)計思想。

參考文獻(xiàn)

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