家庭智造:智能坐姿提醒器

王寧

編者按：今年，信息技術實驗室建設有望提上議事日程。“用教育信息化推動教育現代化”，現在的人們生活在一個家庭、學校、社會融合發展的共同體當中，因此，信息技術實驗專欄也會與時俱進，推出“家庭智造”“信息科技典型實驗”“數字科學”“創客產品”四個選題，從家庭教育、信息技術學科建設、信息技術與學科深度融合、創新創業與社會的可持續發展四個維度來看信息技術實驗的發展。這樣設計，一方面是期望從學科發展的層面通過開展信息技術實驗提升學科專業性，另一方面也期望拓展信息技術實驗的應用領域，在規范內核的同時拓展外延，因為“現代化”究竟是什么樣子，答案就在我們的手中。

家庭是社會創新的最小單位，伴隨著桌面化加工設備和開源硬件的普及，人們在家里就可以制造出很多有實用功能的智能家具。這就像“家庭廚房”的一個升級版本，通過學校普及創客技能，讓更多的家庭有這樣的設施設備和家庭文化，讓“智造”成為一種“家風”、一種終身學習的有效方式，這也是創客教育的發展方向之一。

今天這件作品，出自我作為指導教師的I創·創客社團，小創客是這樣描述設計初衷的：我的爸爸有很明顯的駝背，究其原因，很可能是長時間伏案學習導致的，不知是不是遺傳的因素，我也有輕微的駝背，所以他很著急，經常提醒我要端正讀寫姿勢，爸爸還為我購買了糾正背帶和防近視坐姿矯正器，可這兩樣東西我都不太喜歡，一個不能從根本上預防，戴著不舒服，另一個對課桌的要求太高，帶到學校也不方便，同學們看見了，會認為我太另類。所以我就想能不能制作一個只有信用卡大小的電子坐姿提醒器，既方便攜帶，又能像爸爸一樣的提醒我。這個選題很適合在家庭中完成，并且可以在居家使用的過程中不斷改進。

作為指導教師，我為他完善了以下兩點：

一是增加一個時間控制，45分鐘或者30分鐘，時間點到了，提醒學生休息。

二是增加一個顯示屏，所有的信息都可以通過屏顯來了解。

● 設計思路

①需要一個距離傳感器來測出人腦離書本的距離。

②需要一小屏幕來顯示距離是否正確、學習時長、表現等信息。

③需要一個蜂鳴器，當出現錯誤的坐姿時，用聲音來提醒學習者。

④45分鐘的時間到了，蜂鳴器與屏顯都會提醒學習者休息，并根據學習者在45分鐘內的坐姿情況給出一個結論。

● 硬件準備

坐姿提醒器是一個桌面家具，所以主控和各種傳感器都要盡可能小，由于涉及一些并不常用的設備，這里需要詳細介紹一下。

主控：主控用的是DFrobot生產的Beetle BLE控制器，它的體型小，只有SD那么卡大，如上頁圖1所示。

輸出模塊：采用Gravity I2C OLED-2864顯示屏。相比傳統的LCD，OLED具備更快的響應速度和更輕薄的體積優勢，屏幕厚度可以小于1毫米，僅為LCD屏幕的三分之一左右，且功耗更低，抗震性好，可以廣泛應用在移動設備的顯示應用上。配合一些mini的Arduino主控器，如Beetle、CurieNano等小板，完全可以自己制作一款帶顯示功能的智能穿戴設備（如上頁圖2）。蜂鳴器用的是Dfrobot生產的數字蜂鳴器模塊，如圖3所示。

輸入模塊：博光-50NK，這是一種集發射與接收于一體的光電傳感器。檢測距離可以根據要求進行調節。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點（如圖4），在這里我們將其用于檢測人腦與書桌的距離。

供電設備：電池用的是3.7V 500mAh可充電鋰電池，體型盡可能要小。1A鋰電池充電與保護一體TP4056電源模塊板如圖5所示。

● 硬件鏈接（如圖6）

①Beetle控制器I2C OLED-2864顯示屏，用到SDA、SCL兩個引腳，I2C OLED-2864顯示屏一共有四個針腳，Vcc和Gnd可以接在Vcc和Gnd上，SDA、SCL兩個引腳則要接在控制器SDA、SCL的兩個針腳上。

②博光-50NK光電傳感器，屬于數字模塊，所以它接在了控制器的D2腳。

③數字蜂鳴器模塊接在了控制器的D3腳。

④鋰電池與充電模塊、自鎖開關及控制器的焊接。

● 情景呈現

當人的頭部距離書本太近，小于20厘米時，光電開關的指示紅燈就會亮，達到了觸發條件，蜂鳴器就會響，提示坐姿不正確。直到恢復正確的坐姿，蜂鳴器才會停止聲響。坐姿矯正器還有計時的功能，當我們看書或者寫字時間超過45分鐘時，蜂鳴器也會提示我們休息10分鐘。

矯正器的正面有一個OLED顯示屏，顯示屏有四行，第一行顯示的是已經學習了多少分鐘，第二行顯示坐姿是否正確（R正確，W錯誤），第三行提示保持正確的坐姿，第四行顯示在這段時間內，有多少次錯誤的讀寫姿勢。45分鐘的學習時間之后，如果錯誤次數少于5次顯示Good job鼓勵，否則顯示Warning警告語言（如圖7）。

● 程序原理

項目采用的是Mixly米思齊0.995，Mixly是模塊化編程入門最簡單的軟件之一，它不是針對哪一類型的硬件設計的，能兼容很多流行的硬件，所以在中小學創客教育中有著廣泛的應用。需要注意的是，編程的時候要調整為高級視圖，否則就看不到與I2C OLED-2864顯示屏相對應的模塊。程序設計流程圖如圖8所示。

圖形化程序如圖9所示，在這里使用變量mistake來表示用戶是否出現了坐姿不規范的情況，并且同時用蜂鳴器的音效來提醒用戶，與此同時用變量time來記錄用戶的學習時間，當學習時間超過45分鐘后會提醒用戶休息。

目前，開源硬件的各種性能越來越接近手機。可以預見的是，開源硬件將會越來越多地像手機一樣融入到我們的生活。所以，如何在移動終端進行個性化的學習是一個值得我們繼續深入探討的話題。