基于坐姿監督的智能視力保護儀設計

大連理工大學城市學院 王 穎 王 偉 孫兆東 馮華東 程夢然 程兵兵

基于坐姿監督的智能視力保護儀設計

大連理工大學城市學院 王 穎 王 偉 孫兆東 馮華東 程夢然 程兵兵

隨著現代社會電子產品的高速發展，在給人們的生活、學習、工作帶來方便的同時,也相應的帶來了諸多負面作用,比如長時間的用眼,導致用眼的疲勞,錯誤的用眼坐姿等等，都對眼睛造成了極大的傷害。如今，近視已經成為世界范圍內發病率較高的眼病之一,如何保護視力已經引起了社會各界的廣泛關注。在本課題研究的基于坐姿監督的智能保護儀設計中,結合計算機控制，對學生的坐姿進行姿態檢測，并做相應的語音糾錯提醒，從而從坐姿這一根本問題上解決預防和保護視力的相關問題。

坐姿監督；計算機控制；語音糾錯提醒；預防和保護視力

0 引言

眾所周知，近視眼給人們的生活帶來了諸多不便，在人們越發關注眼睛的保護時，市面上也出現了五花八門的護眼產品。如背背佳產品，通過力的作用強制進行姿態矯正，導致學生的脊椎，肌肉，骨骼受到很大的傷害，所以設計以人機交互和以人為本的理念，將電子學、物理學、人體工程學相結合的智能調控設備，能夠隨時提醒讀寫者，端正坐姿，挺直腰背，養成良好的讀寫習慣，有效防止駝背、脊椎彎曲以及近視等身理疾病，有效的保護學生的身心健康，才符合當下時代的潮流，更適合學生使用。本款智能視力保護器應時代之所變，市場之所需，能實現上述之改變，并在主觀的，人性化的，智能的操作下矯正學生的姿態，保護學生的視力。

1 系統概述

1.1 系統硬件組成

系統框圖組成有電源模塊，姿態檢測模塊，語言提醒模塊，主控芯片STM32F103ZET6模塊。各個模塊關系如圖1所示。

1.2 各模塊設計

（1）微處理器模塊：使用STM32F103ZET6微處理器——美國ST公司設計的使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位精簡指令集內核的增強型嵌入式微處理器芯片。此款芯片主頻為72MHZ，ARM? Cortex?-M3 是最新一代的32位RISC處理器，反應速度極快，程序存儲器為512kByte，數據存儲容量為64kByte，可存放大量程序，片內資源豐富，具有低功耗、高性能的特點。

（2）姿態檢測模塊：使用GY521-MPU6050傳感器，主要組成有陀螺儀，加速度計，DMP（Digital Motion Processor）。此傳感器使用了三個16 位的ADC轉換芯片，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量，為了測量的準確性，用戶可自行控制測量范圍。芯片的通信協議采用40kHz的I2C 協議或SPI 協議，封裝尺寸非常小且采用無引線方形封裝方法進行封裝，節省了不少體積，另外帶有非常好的可編程的低通濾波器。傳感器支持電壓有2.5V，3.0V，3.3V，供電電壓選擇的不一樣，精度也會不一樣。另外DMP引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等負荷，還有磁力感測器校正演算技術，大大的減少了開發人員另外進行校正的需要。陀螺儀傳感器檢測XYZ三個方向的角速度和加速度，這些值可以是正值，也可以是負值，方向不同，值也會不同。

圖1 系統硬件組成結構圖

（3）語音提醒模塊：采用LP-TTS模塊，使用SYN 6658芯片。此芯片管腳封裝為64管腳貼片式，采用臺灣芯威科技 TTS中文語音合成芯片，支持中文字庫 GB2312所包含的中文字發音，有不同語音可供選擇。這個系統組成包括：控制器、SYN6658芯片、功放，和喇叭。工作步驟如下：通過MDK4編譯程序，在程序里包含需要播放的文本，通過串口UART或者SPI將播放的的文本以一定的方式傳送到語音播放芯片，語音芯片合成后通過放大電路將聲音通過喇叭進行播放出來，如圖2所示。

圖2 SYN6658框圖

（4）電源模塊：微處理器的供電需要3.3V電壓，用四節1.5V干電池串聯產生6V的電壓，通過ASM1117穩壓芯片將電壓控制到5V，再進一步轉換到3.3V。

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件組成

系統程序屬于單線程運行，主要分為main主函數，語音播放函數，陀螺儀數據解析函數，陀螺儀數據讀取函數，還有STM32 3.5版本的庫。

主函數的作用是將這些功能組合在一塊，通過邏輯判斷讓各個傳感器和執行器件能夠正常穩定的工作。其他的函數起讀取傳感器數據，控制執行元件正常執行的作用。

2.2 總體流程圖

圖3 總體流程圖設計

3 系統測試

3.1 陀螺儀測量參數1

實際角度X偏差/ ° 2.5 3.0 5.7 22 -15 -60 -44 25.3測量X角度偏差/ ° 2.35 2.98 5.62 21.5 -15.2-59.5-44.5 24.5

3.2 陀螺儀測量參數2

實際角度Y偏差/ ° 2.4 3.3 6 22 -15.7 -30 -75 24.8測量Y角度偏差/ ° 2.35 3.18 5.8 22.9 -15.2 -29.5 -75.2 24.8

3.3 陀螺儀測量參數3

實際角度Z偏差/ ° 1.1 15.9 2.2 22.9 -18 60 53 27.9測量Z角度偏差/ ° 1.2 14.9 2.4 22.5 -18 59.5 52.5 27.2

說明：陀螺儀測量角度和實際角度始終有一定的偏差，偏差角度的誤差。

在正負1°范圍內，這樣的值已經非常精確了，說明在軟件濾波和算法上是非常好的。

4 總結與展望

整個系統有許多不足的地方，當然也有許多的亮點。不足的地方正在尋求更加完整的方案，亮點需要更加潤色。

4.1 智能系統不足與可能完善的地方

（1）在電源的選擇時為了快捷有效，選擇了生活中常用的干電池。此方案的缺點一是體積太大，在安裝放置的時候不好控制，二是電壓的供電不是很穩定，需要經常更換電池，還有電池更換后會污染環境。優點是可以方便攜帶，體重輕，如有損壞，更換非常的方便。（2）在軟件的程序編寫時，語音播放模塊必須得加上合適的幾秒延時才能使語音播放完整的進行，這使整個的運行速度大大的降低，還會有一定的滯后性，這部分問題的解決需要加上操作系統進行多線程處理。

4.2 智能系統優點

（1）語音提醒聲音非常的清晰柔和，而且男聲女聲可以選擇。（2）陀螺儀在姿態檢測時數據非常的準確，角度和加速度值通過算法校正后非常的精確。

[1]陳煒．簡易青少年視力保護器的設計[J]．科技展望,2015(33):87．

[2]李驍,王彬媛,王振中,劉炳言,李昱釗,張黔．基于STC89C52單片機的視力保護器設計[J]．電子世界,2015(19):160-162．

[3]王鐵流,秦璐璐,李宗方,高嵩．基于STM32嵌入式系統的智能控制網絡終端設計[J]．電子元器件應用,2009(06):13-17．

[4]亢鳳英．培養學生坐姿、筆姿思考[J]．學園,2014(22):104．

[5]李臻貞,王璐子．基于51單片機的坐姿提醒儀[J]．信息技術與信息化,2015(9):59．

[6]蔣茵幟．學生良好坐姿的養成策略[J]．小學科學(教師版),2013(12):260．

孫兆東，男，現就讀于大連理工大學城市學院電子與自動化學院。

馮華東，男，現就讀于大連理工大學城市學院電子與自動化學院。

程夢然，女，現就讀于大連理工大學城市學院電子與自動化學院。

程兵兵，男，現就讀于大連理工大學城市學院電子與自動化學院。

Design of intelligent vision protector based on sitting posture supervision

Wang Ying，Wang Wei，Sun Zhaodong，Feng Huadong，Cheng Mengran，Cheng Bingbing
（City Institute，Dalian University of Technology，Liaoning 116600，Dalian，China）

with the rapid development of modern electronic products，learning to people's daily life，work，brings convenience，also brings many negative effects，such as long time with the eye，causing eye fatigue，the wrong eye position and so on，all eyes now caused great harm. Myopia，has become one of the high incidence of disease in the world，how to protect vision has aroused widespread concern in the community. In this research based on intelligent protection instrument design supervision in the sitting position，with computer control，the students sitting posture detection，and voice correction corresponding to remind，to sit from Pose a fundamental problem to solve the problem of prevention and protection of vision.

sitting supervision；computer control；voice error correction reminder；prevention and protection of vision

王穎（1979—），女，大連理工大學城市學院電子與自動化學院講師。

王偉（1994—），男，現就讀于大連理工大學城市學院電子與自動化學院。

遼寧省大學生創新創業訓練計劃項目基金支持（編號：20150290）。