基于STM32的智能學習臺燈設計

東華理工大學核應用技術研究所 熊志輝 王仁波

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基于STM32的智能學習臺燈設計

東華理工大學核應用技術研究所 熊志輝 王仁波

【摘要】為了給青少年提供良好的學習環境，預防近視﹑駝背，提高學習效率，本項目設計方案采用STM32微控制器和LD3320可編程語音識別控制系統，開發出了一款高端智能學習臺燈。智能學習臺燈采用了ASR可編程語音識別算法和NRF無線通訊技術，實現了聲控和防近視功能；采用人工智能化創新設計理念，開發出了GUI人機交互操控平臺。文中介紹了系統設計方案，給出了硬件電路設計方法，同時介紹了GUI軟件架構設計的關鍵技術。

【關鍵詞】智能臺燈；語音識別；人機交互；STM32；NRF無線通訊

0　引言

隨著教育的發展，青少年學習負擔大﹑任務重，常常因環境光線昏暗﹑書寫姿勢不端正導致近視﹑駝背，嚴重影響青少年的身心健康。因此，開發一款高端智能學習臺燈對于預防近視﹑駝背，提高學習效率，有著十分重要的意義。

目前在智能臺燈研究領域，大都是通過手動調節燈光亮度，不能靈活控制燈光色溫，沒有近視矯正功能，因而對眼睛帶來不良影響，容易導致近視﹑駝背。本文設計了基于STM32的智能學習臺燈，以應用理論研究為基礎，以技術研發為手段，實現智能調節燈光亮度和色溫，防近視語音提醒，擁有強大的鬧鐘管理，提供合理的作息安排，還有音樂功能，緩解學習壓力。

1　系統總體結構

智能學習臺燈的系統組成如圖1所示，主要由STM32F103微處理器﹑觸控液晶彩屏﹑LD3320語音識別﹑系統電源控制﹑超聲波防近視監測﹑NRF無線傳輸﹑音樂播放系統﹑燈光控制組件和多路系統電源構成。智能學習臺燈采用PWM數字調光和人體紅外感應技術，實現燈光亮度﹑色溫和模式調節；采用ASR可編程語音識別技術，對語音指令進行編碼后，由STM32主控制器對其解析，實現人工智能控制。防近視監測系統采用超聲波測距技術，實現書寫姿勢監測，通過NRF無線傳輸將數據發送主機進行分析處理，實時校正青少年書寫姿勢。

圖1　智能學習臺燈系統結構圖

2　燈光控制電路設計

為了滿足青少年對燈光的不同需求，燈光控制設計要求達到燈光亮度﹑燈光色溫調節以及燈光模式設置，達到最佳的照明效果。LED調光控制方案有兩種：一是線性模擬調光，二是PWM數字調光。采用線性模擬調光時，LED光的特性要隨著平均驅動電流而偏移，LED發出的主波長會改變，其相關色溫也會改變，不符合設計要求。而采用PWM數字調光時，則保證了LED亮度和色溫符合設計指標，并可以提高輸出電流精度。

燈光控制方案采用PWM數字調光，主要由暖色和白色LED燈珠﹑光耦PC817﹑MOS功率管IRF9530和調理電阻組成，通過MCU控制器控制輸出PWM頻率來調節LED燈光亮度和燈光色溫。燈光控制電路如圖2所示。

圖2　燈光控制電路

3　系統電源控制電路設計

電源控制模塊包括按鍵觸摸電路和電源軟啟動電路，實現系統電源軟開啟與關閉，該電路結構主要由組合邏輯電路﹑光電耦合電路﹑MOSFET場效應功率管以及電容觸控電路構成。觸摸按鍵后，觸摸芯片產生觸摸輸出信號，經組合邏輯電路過濾干擾信號后，輸出開關信號，控制系統電源的開啟，系統上電后，則由微控制器控制系統電源開關信號。電源控制電路如圖3所示。

圖3　電源控制電路

4　音頻解碼功放電路設計

智能學習臺燈有鬧鐘報時，音樂播放功能。音頻播放器采用硬件解碼方式，降低開發難度，只需對解碼芯片發送操作指令即可。系統采用PAM8403集成功放芯片作為音頻放大器，并設計了功放電源控制電路。音頻功放控制電路如圖4所示。

圖4　音頻功放控制電路

5　軟件設計

智能學習臺燈軟件系統結構如圖5所示，主要包括GUI人機交互界面控制軟件﹑API中間層接口軟件﹑各個硬件設備底層驅動，其中GUI交互式界面菜單包括燈光模式﹑燈光色溫﹑燈光亮度﹑音樂播放﹑音量調節﹑鬧鐘設置﹑時間設置﹑眼保健擦﹑系統設置和幫助查詢。

圖5　智能學習臺燈軟件系統結構圖

5.1燈光亮度﹑色溫和模式調節

燈光亮度調節和色溫調節各分10級，選中燈光亮度調節菜單可以調節燈光亮度，級數越大，燈光亮度就越高。選中燈光色溫調節菜單可以調節燈光色溫，級數越大，燈光色溫就越高。色溫級數為負，表示燈光色溫偏低，即燈光顏色偏暖；色溫級數為正，表示燈光色溫偏高，即燈光顏色偏冷。

智能燈光控制系統提供八種燈光情景模式：閱讀﹑書寫﹑電影﹑游戲﹑辦公﹑夜間﹑臥室和自定義。用戶可根據當前環境場合選擇合適的燈光情景照明模式，再結合人體紅外感應和超聲波監測技術，實現了燈光智能開關控制功能。

圖6　防近視監測控制流程

5.2語音識別

為了實現“傻瓜式”的便捷操作目的，智能學習臺燈采用ASR可編程語音識別控制技術，實現燈光開關﹑亮度調節﹑色溫調節﹑燈光模式設置以及音樂播放控制。

LD3320是一顆基于非特定人語音識別技術的聲控芯片，可把人的語音轉化為語音控制命令。ASR語音識別工作原理：在每次識別過程中，就是把用戶說出的語音內容，通過頻譜轉換為語音特征，再和這個關鍵詞語列表中的條目進行一一匹配，最優匹配的一條作為識別結果。處理器對該識別結果進行解析并執行功能控制。

5.3防近視監測

為了達到全方位護眼效果，防止青少年形成駝背，本項目中設計了防近視檢測系統。防近視檢測系統采用超聲波測距技術，實時監測青少年書寫姿勢，對監測數據分析處理后，再通過NRF無線傳輸設備將數據發送到主機。若書寫姿勢不端正，主機會發出語音提醒，實時提醒青少年糾正書寫姿勢，達到防止青少年形成駝背﹑預防近視的目的。防近視監測控制流程如圖6所示。

6　系統測試

按照系統方案設計要求，本項目完成系統硬件電路設計，采用實驗分析測試法，調試修改電路，校準電路參數，并開發出了GUI交互式應用軟件，對應用軟件調試優化。基于SMT32的智能學習臺燈電路設計與實物演示如圖7所示。

圖7　智能學習臺燈實物圖

7　結束語

針對端正書寫姿勢問題，為青少年提供良好的書寫環境為目標。智能學習臺燈設計方案獨具創新，它以人機交互操控為主，以語音識別控制為輔，實現了人工智能化控制。它能給青少年營造良好的書寫環境，實時提醒青少年端正書寫姿勢，緩解青少年學習壓力，預防近視﹑駝背，有利于青少年身心健康發展。

參考文獻

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熊志輝（1988－），男，江西南昌人，東華理工大學碩士研究生，從事數字電路設計﹑智能核儀器研究。

作者簡介：

基金項目：本項目由東華理工大學研究生創新資金資助（YC2015-S276）。