基于人體健康監測的智能書桌設計與研究＊

杜 偉，譚等泰，馮 偉，靳娜維

（甘肅政法大學公安技術學院，甘肅 蘭州 730000）

在日常學習和工作中，書桌是我們的必需品，它不僅僅是家具更是解決問題，創建想法和構建業務的地方，而且至少伴隨我們度過一天中三分之一的時間。但久坐于書桌前又會導致眼部、頸部及腰部等疾病，極大的影響了學習及工作的效率，給生活帶來諸多不便。根據國家教育部、衛生部近年來的一項調查顯示，目前，我國中小學生眼睛近視率居高不下，且呈逐年快速上升的趨勢。青少年在成長過程中，在學校學習、寫作普遍需要長時間靜坐，放學回家后又需要伏案寫作業，平時休息的時候又坐在桌子前玩電腦，每天都是在久坐的情況下生活。除了天生有缺陷的人外，大多數人的脊柱是呈正常狀態的，長期坐姿不良導致含胸駝背的情況普遍存在。

近年來，隨著移動互聯網絡的普及和智能家居產品的快速發展，吸引了越來越多的人關注它所帶來的種種裨益，其中就包括智能書桌對于人體健康的影響。2013年9月由曾任職蘋果公司和迪斯尼樂園的工程師成功設計完成了首款名為“Stir inect”的智能書桌，此產品使用嵌入式觸摸屏控制，通過深度關注用戶，使其在工作時更輕松，更整潔。雖然此款書桌設計出眾，但接近三萬的價格讓很多人都趨之若鶩。后來其他設計師陸續推出各種類型的智能書桌，由此發起了國內外開發者對此類項目的研究熱潮。2015年6月，廣州世麥信息科技有限公司研發設計了“黑臉智能書桌”，該書桌集成多種傳感器實現了智能辦公的目的，其產品主要是針對高級商務辦公設計的。2016年8月一款名為Gaze Desk的智能書桌在Kickstarter上發起了眾籌，這款書桌通過藍牙，能夠與家中其他智能設備同步，設計團隊共推出了六種不同的款式設計，滿足不同客戶的需求。也有許多設計師設想了未來智能書桌的發展方向，如瑞典宜家家居對未來概念廚房中的桌子的概念設計，兼具了從食材分類到桌上烹飪的許多功能，未來科技感十足。就目前來看，智能書桌產品發展潛力巨大但研究緩慢，而且人們的消費觀和消費能力并不充分。對于智能書桌的開發，國內外學者都提出了一些設計方案，這些方案大多基于微型處理器的控制，通過WIFI、藍牙、ZigBee等通信模塊完成設備之間的無線組網以及人機交互[1]。

本設計以STM32F103系列單片機為核心微控制器，設計了一款多功能智能書桌,用戶可通過桌面終端，隨時獲取到書桌周圍的溫濕度、光照情況，可通過桌面高度記憶模式來手動或者自動調節桌面高度，對調節學習環境、預防青少年近視率、兒童脊柱彎曲、駝背有一定的輔助效果。

1 系統概述

本智能書桌采用嵌入式操作系統和WIFI無線組網設計和實現，本設計有很強的實時性和拓展性[2]。采用STM32F103zet6作為微處理芯片，配置OLED顯示屏進行交互顯示；通過紅外人體感應模塊，實時監測有無使用者的出現來控制外置LED節能臺燈的開關；通過光敏傳感器采集的光照信息自動控制臺燈亮度；通過溫濕度傳感器實時監測，獲取到周圍環境的空氣質量[3]；通過三軸加速度傳感器判斷書桌桌面傾角狀況；通過WIFI模塊連接互聯網，與中國移動公司開發的線上OneNET物聯網開放平臺互聯控制，通過對上傳到云平臺的大數據分析，了解個人使用習慣，對出現的問題進行有效的針對性處理，以期達到更舒適、更便捷、更健康的學習工作狀態。本文提出的智能書桌的硬件結構，根據功能大致可分為以下幾個部分：系統主控模塊、輸入模塊、輸出模塊等。智能書桌總體結構設計示意圖如圖1所示。系統的主控制模塊作為整個系統的“大腦”，對輸入設備采集的信息進行分析和判斷，根據控制算法做出控制決策，驅動輸出裝置完成對智能書桌的自動控制。通信模塊將外設采集的環境溫濕度、光照強度、書桌傾角數據、指示燈狀態等數據上傳至OneNET云平臺，通過圖表的方式在網頁中直觀顯示數據。當溫濕度或傾角數據超出閾值時將自動給預先指定的郵箱發送郵件提醒，并通過蜂鳴器警報提醒。

圖1 系統結構圖

2 各模塊的算法設計與實現

2.1 桌面升降系統

對于可升降式書桌，可以隨時改變高度且精準控制及其重要。本設計選用樂歌公司生產的升降桌，通過二次改造與主控芯片連接，通過按鍵可以實現桌面高度的上升、下降。桌面升降系統選用步進電機作為動力來源，步進電機利用電磁學原理將電能轉化為機械能[4]。參考大量資料發現，小型升降式系統通常選用步進滑臺和步進電動推桿。步進電動滑臺是直線滑臺的一種，推力小、速度慢、噪音大、行程也不能很長，常用作工業機械手、XYZ軸機械手、坐標軸滑臺等。步進電動推桿是步進電機與絲桿一體化設計的模塊化產品，可長時間工作，實現高強度、高速度、高精度定位、平穩運動、低噪聲。工作原理是將步進電機的旋轉運動轉換成直線運動，同時由于步進電機自身的特性可以做到精確控制高度、速度、精度[5]。

2.2 SHT20數字溫濕度傳感器

溫濕度傳感器種類繁多，不同的產品工作地點、工作時長、工作環境都有很大的差別。當環境溫濕度不理想時，肯定會影響工作和學習的質量，智能書桌通過實時監測周圍環境的溫度、濕度的變化情況，實時提醒使用者注意周圍環境的情況，當溫度值過高，超過預先設定的閾值時，進行聲光報警，并在指定郵箱下發郵件提醒。書桌一般在室內放置使用，條件要求簡單，綜合考慮使用SHT20數字溫濕度傳感器。SHT20數字溫濕度傳感器基于數字傳感技術，具有較高的可靠性和長期穩定性。另外，它具有體積小、響應快、能耗低、抗干擾能力強、性價比高等優點。考慮到可能發生的意外情況，當監測溫度超過40攝氏度時（特殊工作環境可以設置不同的閾值，量程在-40℃-125℃），認為當前溫度不適合再繼續正常工作，發出聲光報警提醒[6-7]。溫濕度監測工作流程如圖2所示。

圖2 溫濕度監測工作流程

2.3 紅外人體感應模塊

在正常的學習和工作中，人們保持高度集中的時間因人而異，經過培訓后，最多不超過一小時，對于未成年人來說，高度集中的時間較少，一般在20～30min內。學習一段時間后，適當放松，做一些體育鍛煉，聽聽音樂等等，這樣精神才能得到有效的調整。本設計擬設定40min的閾值，當學習工作時長達到設定值后啟動聲光提醒，在設計初期考慮的方案有兩種：一種使用軟件時鐘計時器，當使用者按下學習工作鍵開始計時，時長達到閾值后自動聲光提醒。另一種使用紅外人體感應模塊和時鐘計時器結合，當紅外傳感器檢測到有使用者后再開始計時，時長達到閾值時自動聲光提醒。結合實際情況，在工作時有可能會短暫離開書桌，第一種方案有所欠缺，最終選擇紅外和計時器相結合的方式。本設計選擇E18-D80NK紅外感應傳感器來實現智能書桌對使用者的檢測。E18-D80NK是集發射和接收為一體的光電傳感器[8]。由于紅外光自身的屬性，不同顏色的物體對于紅外光的反射不同，所以可以探測到的最大距離不同，白色物體的探測距離是最遠的，黑色物體的探測距離是最近的。紅外探測到的人體距離可根據實際測試要求，通過尾部的電位器旋鈕進行調節[9]。如圖3所示為紅外感應模塊的管腳圖，三根引線分別是紅色（正極），綠色（負極），黃色（信號）。

圖3 紅外感應模塊管腳圖

2.4 ADXL345三軸加速度模塊

ADXL345三軸加速度傳感器是利用加速度的基本原理，實現將加速度轉化位移值，再轉化為相應角度值。加速度是物體速度的變化率，速度是同一物體的位置變化的速率。換一個角度來說，速度的導數是加速度，位移的導數是速度，因此可推導出公式（1）：

積分和導數相反，如果一個物體的加速度是已知的，那么我們可以對加速度求一重積分得到速度值，再對速度進行一重積分得到位移值，即對加速度二重積分來得到物體的位移值。假設初始條件為0，則有公式（2）：

三軸加速度傳感器由于自身硬件所致，在檢測過程中會出現位移漂移、數據波動較大等現象，導致在處理數據的過程中有異常信號干擾的情況，所以首先要對收集到的信號進行數字濾波。低通濾波是消除加速度計中信號噪聲 (包括機械噪聲和電子噪聲)的一種很好的方法。為了減小信號在求二重積分時的大部分誤差，必須降低噪聲干擾。對采樣信號進行濾波的一個簡單方法是平均值算法。通過多個采樣值求取一組采樣的平均值，然后對平均值進行二重積分獲得最終的角度數據。采樣值過多可能造成數據的丟失，而太少又會出現計算結果波動大，不利于后期處理顯示。本設計通過實際測試，最終選擇以200個采樣值為一組，計算結果在OLED屏幕中顯示X、Y軸的偏離角度。

2.5 光照控制模塊

良好的照明條件不僅有利于學習工作，而且眼睛可以免受過強的非自然光照對于眼球的刺激和傷害。對于控制LED燈由暗到亮或由亮到暗，采用PWM(脈寬調制)法，PWM調光信號是數字的，如果把導通時直流供電值標注為1，即高電平狀態，把斷開狀態下標注為0，即低電平狀態，那么在一個周期T內持續導通的時長為一個周期二分之一的時間，那么它的占空比為50%。

通過GY-30光照傳感器,將智能書桌當前的光強信息通過主控模塊處理分析，當光照強度低于50Lx時候，開啟燈光，此時照明亮度最低，達到閾值開啟條件，隨著時間推移夜晚降臨，照明亮度逐漸加強，最終達到額定功率。通過PWM波自動控制燈光照明系統，提供最優的光照亮度，保證使用者在工作、學習時的優質視覺體驗。GY-30實物如圖8所示。LED燈亮度調節的具體工作流程如圖4所示。

圖4 LED燈亮度調節流程

2.6 桌面顯示系統

桌面顯示系統將輸入模塊采集的信息經單片機處理后完成人機交互的作用。OLED顯示屏無需背光、顯示單元能自發光，可視角度大于160°，低功耗，價格親民，OLED顯示屏應用于多種場合，開發者也首選OLED作為顯示裝置。選用0.96吋顯示屏分別顯示智能書桌當前狀態、溫濕度值、傾角數據、光照強度。由于顯示屏尺寸較小，顯示數據較多，綜合考慮采用多屏顯示。桌面顯示系統如圖5所示。顯示流程如圖6所示。

圖5 桌面顯示系統

圖6 顯示流程圖

2 軟件系統設計

在一個成熟的智能系統中，硬件好比是軀體，軟件好比靈魂。在進行微機控制系統設計時，除了系統的硬件設計外，更多的工作是如何根據每個具體對象的實際需要來設計應用程序。單片機應用系統由硬件和軟件共同完成任務，只有將兩者緊密結合，才能形成高性能的應用系統。在設計過程中，必須相互適應，相互配合，才能達到最高的應用效果。

本設計基于已有的OneNET開發平臺demo代碼進行二次開發。通過實時操作系統管理應用任務，實現智能書桌高度控制、環境溫濕度監測、自適應光照、數據上傳、傾角檢測、狀態顯示等功能。在系統框架設計初期，首先需要分析各模塊所實現的功能，對閾值的處理有些需要實際測試才比較準確，例如光照傳感器返回的光強度信息，在控制燈光照明亮度的處理中，經實際測試，當光強度低于50Lx時開啟燈光效果最佳。任務管理程序流程如圖7所示。

圖7 任務管理程序流程圖

3 系統調試

本設計采用STM32作為主控芯片，遂使用Keil軟件。Keil軟件是專為單片機開發而做的C語言開發系統。在國內，這款軟件被大多數學習者、開發者所青睞，它集成了豐富的庫函數和強大的集成工具，通過在線調試工具可以更加快速、便捷的梳理程序。中移物聯網平臺于2015年成立，至今已經積累了不少成功案例，平臺的開發也趨于完善，中移OneNET開發平臺在設計初期就針對性的對接入模式做了優化，以更快速更簡潔的方式接入平臺。基于中國移動公司對于物聯網卡的設計和銷售，此平臺在業內也很受歡迎。整個物聯網開放平臺通過設備—云—用戶的連接模式進行開發，通過對單一設備或多個設備的網絡連接，在云平臺管理數據，通過個人PC、手機等終端獲取設備信息，整個架構簡潔、輕快，更為開發人員提供了很多模塊化的接口，方便后期開發和維護。物聯系統示意圖如圖8所示。

圖8 物聯系統

通過對網關的配置，使智能書桌系統通過WIFI模塊連接中國移動OneNET物聯網開發平臺，進行數據上傳即可實現遠程數據監控和大數據分析。首次注冊后，云平臺會給用戶分配一個獨一無二的API_KEY，下線設備只有正確匹配此API_KEY，才能夠將數據正確上傳到指定的賬號。如圖9為成功接入中國移動OneNET物聯網開發平臺。

圖9 接入中國移動OneNET物聯網開發平臺

上傳至云平臺的數據有溫濕度數據、傾斜角數據、光照強度數據、設備指示燈數據。在云平臺智能書桌設備下創建獨立應用，將上傳的數據流與每一個應用鏈接，即可顯示在線設備的監測數據。智能書桌空氣質量檢測數據、桌面傾斜角檢測數據均采用儀表盤和折線圖表示，由儀表盤數據可以清晰的看出數據當前的范圍，通過折線圖數據可以分析一段時間內數據的變化情況，而且也可以從側面反映出信息的處理情況，如圖10、圖11所示。

通過圖11可看出桌面傾斜角數據在18：45之前基本變化保持在1度以內，具體書桌桌面角度則保持靜止狀態。在18：45之后手動調整了桌面角度，先將桌面前部抬高，后將桌面后部抬高。由圖分析可看出45分之后桌面與X軸角度一直保持不變，而桌面與Y軸的數據迅速改變，由0度變化為-10度，又由-10度變化為6度，與實際變化相符，說明數據的處理和上傳均正常。

圖10 智能書桌空氣溫濕度數

圖11 智能書桌傾斜角數據

光照數據在處理過程中發現波動變化較大，對于LED燈亮度的變化采用PWM波來控制，波動較大的光照數據，控制臺燈亮度的結果就是忽高忽低，在一個系統中，最重要的條件就是穩定，通過反復測試，最終采樣200個數據求平均值做為一組數據的采樣結果，再進行后期的數據處理，這樣做數據波動明顯減小，亮度控制也更為合理。智能書桌光照數據如圖12所示。

圖12 智能書桌光照強度數據

由于云平臺上傳機制的限制，數據刷新頻率最短時長為3s，通過查詢后臺記錄可以看到上傳至今的所有歷史數據，以光照強度數據為例，數據以折線圖顯示。由圖12可看出，在5點48分時刻，當前室內光照強度保持在257上下。折線圖趨于平緩，沒有數據異常點，表明數據濾波情況正常，數據上傳正常。光強值歷史數據如圖13所示。

圖13 光強值歷史數據

4 結語

該設計融合傳感器技術、單片機技術、物聯網技術，巧妙地設計出一款可適用于家庭、辦公室、學生宿舍等多場合使用的多功能智能書桌。整個設計由STM32F103系列開發板控制。通過外置傳感器采集信號，將所采集到的信號轉換為電信號，再通過單片機處理，控制相應的模塊做出響應并輸出到顯示設備。

本設計秉承綠色健康、操作簡單、多功能結構設計的理念，以監測提醒使用者個人的健康為目的，通過光照強度、空氣溫濕度模塊來時時監測書桌環境。此外，本設計添加了步進電機、傾角傳感器等，更高效為使用者提供了舒適的工作環境。

物聯網技術作為下一個推動世界高速發展的“重要生產力”，應用到此設計中，既體現了設計的先進性，又拉近了科技與人們生活的距離。通過多次對系統的綜合調試及運行，完成了書桌高度調節、溫濕度監測、照明控制、桌面傾角檢測、云平臺數據上傳等功能，系統達到了預期的設計目標。