基于STM32多模式智能視力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

蘇一菲　余威明

摘 要：為了方便家長(zhǎng)自主檢測(cè)青少年視力，設(shè)計(jì)了一款多模式智能視力檢測(cè)裝置。該裝置以STM32F103RBT6作為主控制器，結(jié)合TFT真彩屏、NRF24L01無(wú)線傳輸模塊、VL53L0X激光測(cè)距模塊，BT06藍(lán)牙模塊。該裝置具備紅外遙控識(shí)別、搖桿識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別多種模式，使視力測(cè)試更具趣味性、便捷性和準(zhǔn)確性，更適合青少年家用視力檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：STM32F103RBT6；視力測(cè)試；多模式；無(wú)線傳輸

我國(guó)青少年近視率居高不下，并呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢(shì)。其中，初中生近視發(fā)病率已超過(guò)30%，高中生近視發(fā)病率已超過(guò)70%，青少年近視的防治越來(lái)越得到了學(xué)生、家長(zhǎng)及社會(huì)的關(guān)注。視力測(cè)試是醫(yī)學(xué)上反映視力狀況的重要手段，家用視力檢測(cè)一般是在墻壁上掛上視力表，由家長(zhǎng)配合孩子檢測(cè)，這種檢測(cè)方式較為枯燥，孩子往往存在不配合的現(xiàn)象，家長(zhǎng)也不能得到較為準(zhǔn)確的視力測(cè)試結(jié)果，由于醫(yī)療資源的緊缺，去專業(yè)醫(yī)院檢測(cè)耗時(shí)耗力。本文提出了的基于STM32多模式智能視力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案，具備紅外遙控識(shí)別、搖桿識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別多個(gè)模式，由使用者自主進(jìn)行視力的測(cè)試，在TFT屏上按視力測(cè)試規(guī)律顯示視力圖標(biāo)，并利用軟件算法實(shí)現(xiàn)了視力的自動(dòng)診斷。該檢測(cè)裝置還具備視力測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，以圖表形式展示視力變化狀況，對(duì)視力變化進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤；同時(shí)可通過(guò)藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)傳至手機(jī)端，并通過(guò)手機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程云端數(shù)據(jù)庫(kù)中，為醫(yī)生提供視力變化的一手?jǐn)?shù)據(jù)，在實(shí)現(xiàn)視力測(cè)試的同時(shí)還可以起到預(yù)警及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的作用。另外系統(tǒng)還具有坐姿提醒以及照度檢測(cè)功能。該設(shè)計(jì)方案功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，兼具趣味性和人性化的服務(wù)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的主要組成部分包括：以STM32F103RBT6 作為控制器的主機(jī)，以及向測(cè)試主機(jī)發(fā)送視標(biāo)方向識(shí)別信號(hào)的手勢(shì)識(shí)別子機(jī)、搖桿識(shí)別子機(jī)和紅外遙控子機(jī)，主機(jī)與子機(jī)通過(guò)紅外接收模塊和NRF24L01無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）測(cè)試主機(jī)電路設(shè)計(jì)

測(cè)試主機(jī)采用以基于ARM的 Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103RBT6作為主控芯片，用SD卡存儲(chǔ)0.1～2.0各組視力圖標(biāo)，EEPROM芯片存儲(chǔ)測(cè)試的視力數(shù)據(jù)，采用480×320分辨率高清TFT屏為顯示裝置，用以顯示“E”視力圖標(biāo)、操作界面、視力測(cè)試歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)時(shí)間、溫度等數(shù)據(jù)。通過(guò)HS0038一體化紅外接收頭作為紅外接收器件，接收紅外遙控器發(fā)送的38KHZ調(diào)制信號(hào)，通過(guò)STM32利用外部中斷對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行解碼，識(shí)別出紅外遙控子機(jī)發(fā)出的對(duì)應(yīng)的遙控按鍵。利用NRF24L01無(wú)線傳輸模塊接收搖桿識(shí)別子機(jī)以及手勢(shì)識(shí)別子機(jī)發(fā)出的使用者的視標(biāo)方向判斷結(jié)果，進(jìn)行比對(duì)，得出視力測(cè)試結(jié)果。同時(shí)可通過(guò)BT06藍(lán)牙模塊把測(cè)試數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)端，便于進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤。另外，還增加了坐姿提醒功能以及照度檢測(cè)功能。用VL53L0X激光測(cè)距模塊進(jìn)行距離測(cè)量，當(dāng)閱讀時(shí)使用者坐姿不當(dāng)時(shí)，通過(guò)WT588D語(yǔ)音模塊對(duì)其進(jìn)行坐姿提醒。采用照度傳感器TEMT6000檢測(cè)出環(huán)境光照值，對(duì)使用者進(jìn)行照度提示。測(cè)試主機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（二）紅外遙控子機(jī)電路設(shè)計(jì)

紅外遙控子機(jī)采用的是SC6121紅外遙控發(fā)射芯片。SC6121是一種用于紅外遙控系統(tǒng)中的專用發(fā)射集成電路，采用CMOS工藝制造。它可外接32個(gè)按鍵，其中有三組雙重按鍵。紅外遙控子機(jī)將使用者遙控按鍵的方向信號(hào)編碼后發(fā)送給測(cè)試主機(jī)，測(cè)試主機(jī)通過(guò)紅外接收電路接收信號(hào)，通過(guò)測(cè)試主機(jī)內(nèi)部的微處理器解碼后，識(shí)別出使用者的視標(biāo)方向信號(hào)，并與測(cè)試主機(jī)液晶屏顯示的視標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，確定使用者的方向判斷是否正確。遙控子機(jī)的電路圖如圖3所示。

（三）搖桿識(shí)別子機(jī)電路設(shè)計(jì)

搖桿識(shí)別子機(jī)采用單片機(jī)STC15W404AS作為控制器。使用者的搖桿操作動(dòng)作通過(guò)雙軸搖桿傳感器模塊變換為x、y 方向?qū)?yīng)的電壓值，STC15W404AS對(duì)其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行視標(biāo)方向識(shí)別；并將識(shí)別結(jié)果通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至測(cè)試主機(jī)。搖桿識(shí)別子機(jī)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

（四）手勢(shì)識(shí)別子機(jī)電路設(shè)計(jì)

手勢(shì)識(shí)別子機(jī)戴在使用者手指上。采用單片機(jī)STC15W404AS作為控制器，利用ADXL345 三軸加速度傳感器模塊識(shí)別出使用者的手部向下、向上、左傾、右傾等信息，并將這些動(dòng)作信息轉(zhuǎn)換為視標(biāo)的上下左右的四個(gè)方向的信號(hào)，通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊傳送給測(cè)試主機(jī)。測(cè)試主機(jī)的無(wú)線接收電路接收到信號(hào)后送給主機(jī)控制器進(jìn)行識(shí)別處理。手勢(shì)識(shí)別子機(jī)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主機(jī)采用了基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的嵌入式處理器STM32F103RBT6，該處理器內(nèi)置128KB的FLASH、20KB的SRAM、2個(gè)SPI、3個(gè)串口、1個(gè)USB、1個(gè)CAN等通信接口，內(nèi)置RTC、擁有51個(gè)GPIO口，其GPIO口可允許5V電壓，CPU工作頻率達(dá)到了72MHZ，內(nèi)置2個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器，3個(gè)通用功能的16位定時(shí)器[1]。

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主機(jī)視力測(cè)試程序、視力測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回顯以及藍(lán)牙傳送程序、紅外遙控解碼程序、搖桿動(dòng)作識(shí)別程序以及手勢(shì)識(shí)別程序。

（一）主機(jī)視力測(cè)試程序

以接收到的手勢(shì)識(shí)別子機(jī)信號(hào)為例，將手勢(shì)測(cè)試信號(hào)發(fā)送給測(cè)試主機(jī)后，測(cè)試主機(jī)通過(guò)無(wú)線接收電路接收信號(hào)，通過(guò)測(cè)試主機(jī)內(nèi)部的微處理器解碼后，識(shí)別出使用者的視標(biāo)方向判斷信號(hào)，并與測(cè)試主機(jī)液晶屏顯示的視標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，確定使用者的方向判斷是否正確。主機(jī)視力測(cè)試程序的流程圖如圖6所示。

視標(biāo)從0.1～2.0共14組，每組有右、下、左、上四個(gè)方向圖標(biāo)，共56張視標(biāo)圖片。圖片按順序存入SD卡中，根據(jù)存儲(chǔ)位置順序，每張圖片有對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)編號(hào)（index）。為了避免使用者背記方向圖標(biāo)，每個(gè)視力點(diǎn)的四個(gè)方向的圖標(biāo)將隨機(jī)出現(xiàn)一個(gè)方向的圖標(biāo)。利用ADXL345 三軸加速度傳感器模塊識(shí)別出使用者的手部向下、向上、左傾、右傾等信息，并將這些動(dòng)作信息轉(zhuǎn)換為視標(biāo)的上下左右的四個(gè)方向的信號(hào)，通過(guò)NRF24L01無(wú)線傳輸模塊傳送給測(cè)試主機(jī)。測(cè)試主機(jī)的無(wú)線接收電路接收到信號(hào)后送給主機(jī)控制器進(jìn)行識(shí)別處理。并與內(nèi)部的視力圖標(biāo)的方向進(jìn)行比較，如手勢(shì)方向與內(nèi)部圖標(biāo)方向一致，則視力測(cè)試正確，否則測(cè)試錯(cuò)誤。

（二）測(cè)試裝置手機(jī)端APP和遠(yuǎn)程云端設(shè)計(jì)

為了便于家長(zhǎng)和醫(yī)生對(duì)青少年視力進(jìn)行監(jiān)護(hù)追蹤，本裝置還設(shè)計(jì)了手機(jī)端AAP和醫(yī)生遠(yuǎn)程云端管理系統(tǒng)。APP可實(shí)現(xiàn)視力測(cè)試數(shù)據(jù)同步、歷史數(shù)據(jù)回看，護(hù)眼知識(shí)推送的功能。同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程云端，進(jìn)行數(shù)據(jù)追蹤。手機(jī)端APP登陸界面如圖7所示，云端醫(yī)生監(jiān)控顯示界面如圖8所示。

四、結(jié)論

本文提出了一款基于STM32的多模式智能視力檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和視力測(cè)試算法。本裝置測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，采用多模式進(jìn)行測(cè)試，使視力測(cè)試更具趣味性、便捷性和準(zhǔn)確性，另外提供了坐姿提醒、照度檢測(cè)、手機(jī)端和云端監(jiān)護(hù)的貼心和人性化服務(wù)功能，具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。該款視力檢測(cè)裝置已完成了樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，各項(xiàng)功能運(yùn)行良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]STMicroelectronics.STM32F103RB數(shù)據(jù)手冊(cè)，2009.

[2]宋丹，司夏巖.基于STM32的新型視力儀的設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（6）：195-196.

[3]吳家耿，林劍萍，余振超.智能兒童視力測(cè)試儀[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2018（1）：157-158.

[4]魏保立，李秀玲.智能兒童視力測(cè)試儀[J].電子制作，2014（4）：23-24.

[5]楊光祥，梁華，朱軍.STM32單片機(jī)原理與工程實(shí)踐[M].武漢 武漢理工大學(xué)出版社，2013（6）：235-263.

作者簡(jiǎn)介：蘇一菲（1981—），女，壯族，廣西桂林人，碩士，講師，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。