監(jiān)測坐姿智能臺燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李寶文 李靈 黃錦稻 裴意軍 程全義 邱雄科

摘 要：由于現(xiàn)代大眾在日常工作、學(xué)習(xí)中接觸電子化設(shè)備十分頻繁，久而久之容易造成視力下降、身體酸痛等問題，而這些問題的出現(xiàn)與不良坐姿習(xí)慣具有較大聯(lián)系。因此相關(guān)智能企業(yè)從大眾這一問題層面出發(fā)，積極探索新一代環(huán)保型、智能型的智能臺燈產(chǎn)品，既能滿足大眾照明需求，同時(shí)還能以合理的設(shè)計(jì)空間和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)監(jiān)測用戶坐姿，保證用戶養(yǎng)成良好坐姿習(xí)慣，避免產(chǎn)生身體其他危害，具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測坐姿;智能臺燈;設(shè)計(jì)

臺燈作為常見的工作和生活用品，應(yīng)用范圍十分廣泛，適用于各年齡階段的人群，具有極強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿ΑＴ诂F(xiàn)代社會中，青少年以及社會工作人員視力下降問題越來越明顯，于是“護(hù)眼臺燈”“無眩光、無頻閃”臺燈等受到眾多人群的青睞。而且通過調(diào)查了解到眾多用戶希望臺燈能夠具有一定的特殊功能，比如語音聊天、鬧鐘設(shè)置、防近視監(jiān)測等，這些獨(dú)特的功能需求為企業(yè)智能臺燈的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

一、監(jiān)測坐姿智能臺燈的設(shè)計(jì)意義

（一）有助于培養(yǎng)用戶良好的工作學(xué)習(xí)習(xí)慣

隨著現(xiàn)代社會能源緊缺現(xiàn)象的加劇，綠色能源觀念逐漸深入人心，追求產(chǎn)品的節(jié)能環(huán)保性與健康便捷性已成為社會潮流趨勢，但是市場中部分燈具產(chǎn)品不但功能單一，而且還不利于糾正用戶正常工作和學(xué)習(xí)方式，使得多數(shù)用戶視力和身體健康受到影響。于是智能臺燈應(yīng)運(yùn)而生。這一臺燈類型多樣，有STM32的智能互聯(lián)臺燈、單片機(jī)智能臺燈、智能LED臺燈等，用戶能夠通過智能控制、語音操作以及手動操作等方法調(diào)整臺燈的亮度和照明強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)聲控和防近視功能，久而久之不良坐姿將會得以糾正，從而養(yǎng)成良好學(xué)習(xí)工作習(xí)慣。[1]

（二）有助于發(fā)揮智能臺燈的功能

智能臺燈以樹莓派系統(tǒng)、可視化智能屏幕、超聲波觸摸模塊、LED電路以及3D打印造型等系統(tǒng)構(gòu)成，整個系統(tǒng)中各部位相互作用、相互融通，能夠?qū)㈦娔苎杆俎D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)形式，實(shí)現(xiàn)持續(xù)光照和隨機(jī)調(diào)和光度。如此不僅能實(shí)現(xiàn)綠色光源開發(fā)目的，還能發(fā)揮臺燈智能化、便捷化的全方位功能。除此之外，當(dāng)前市場上存在的STM32智能互聯(lián)臺燈類型，是用戶較為喜歡也是使用較為廣泛的一種臺燈類型，其不僅功能齊全，而且還能監(jiān)測用戶坐姿，能夠極大避免市場上其他燈具出現(xiàn)的弊端，是現(xiàn)代社會智能臺燈的典型改革例子和創(chuàng)新實(shí)踐成果，充分發(fā)揮了智能臺燈的服務(wù)功能[2]。

二、監(jiān)測坐姿智能臺燈的設(shè)計(jì)流程

（一）智能臺燈前期階段

智能臺燈監(jiān)測階段是臺燈在投入使用時(shí)需再次進(jìn)行設(shè)備零件檢驗(yàn)的過程。比如STM32的智能互聯(lián)臺燈，使用STM32作為主控開發(fā)板以及Android Studio軟件APP為開發(fā)平臺，首先需在Android studio軟件開發(fā)平臺中檢查“智能臺燈”編寫名稱，以及智能臺燈型號配對與遠(yuǎn)程監(jiān)控功能是否完好，然后在應(yīng)用主頁面上的多種燈光模式選擇功能中，檢驗(yàn)具有進(jìn)度調(diào)節(jié)燈光亮度的設(shè)備零件、當(dāng)前溫濕度平衡度顯示、光強(qiáng)度設(shè)定范圍、時(shí)間定時(shí)開關(guān)、語音開關(guān)以及工作數(shù)據(jù)顯示等內(nèi)容，為用戶的便捷和安全提供先期保障。

（二）智能臺燈運(yùn)行階段

智能臺燈運(yùn)行階段主要可分為兩個模塊：其一，超聲波模塊。超聲波模塊主要包括發(fā)射信號、接收信號、處理信號三方面內(nèi)容，用戶在使用超聲波進(jìn)行監(jiān)測坐姿時(shí)，其中的測距功能會持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)用戶坐姿偏差太大或者坐姿不正確，其會立即發(fā)出振動或提示音，以便及時(shí)提醒用戶注意糾正坐姿行為，比如STM32F103C8T6單片機(jī)中的蜂鳴器報(bào)警模塊系統(tǒng)就有這一功能，能夠幫助用戶養(yǎng)成良好坐姿習(xí)慣。其二，人體熱釋電探頭。這一智能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中考慮到人體感應(yīng)作用，當(dāng)人體感應(yīng)模塊與人體活動方向保持平衡時(shí)，熱釋電模塊便能及時(shí)檢測到是否有人經(jīng)過，若有返回信號則臺燈自動開啟，極大方便了用戶第一時(shí)間使用及記錄工作學(xué)習(xí)時(shí)間。同時(shí)用戶在夜間使用時(shí)，設(shè)備一旦感應(yīng)到有人經(jīng)過便會自動開燈，既不會影響家人休息，也不會影響夜間工作學(xué)習(xí)質(zhì)量[3]。

（三）智能臺燈后期控制階段

智能臺燈后期控制階段為最后設(shè)計(jì)階段，其包括三個階段的內(nèi)容：其一，溫濕度模塊。多數(shù)智能臺燈光度恒定采用的都是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，這一傳感器中含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其具有數(shù)字模塊采集功能和溫濕度傳感功能，能夠使用戶在使用過程中長期穩(wěn)定操作。而且這一傳感器是由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，又加入了高性能8位單片機(jī)，不僅提高了光源分辨率，而且還使臺燈的靈敏度有了質(zhì)的提升。企業(yè)選擇這一模塊用來實(shí)時(shí)監(jiān)測臺燈周圍的環(huán)境變化，便于給用戶提供更加健康、舒適的工作學(xué)習(xí)環(huán)境。其二，時(shí)鐘顯示模塊。時(shí)鐘顯示模塊在智能臺燈中也是較為常見的一種設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其中的實(shí)時(shí)時(shí)鐘日歷芯片具有編程輸出功能，能夠?yàn)橛脩臬@取實(shí)時(shí)工作學(xué)習(xí)信息提供準(zhǔn)確時(shí)間規(guī)劃，也可將系統(tǒng)與手機(jī)APP相連接，如此用戶在手機(jī)上便可實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)、工作時(shí)長的規(guī)劃與安排。其三，電容式觸摸模塊。這一模塊在智能設(shè)備系統(tǒng)中通常適用于遙控器、燈具調(diào)光、各類開關(guān)以及車載、小家電和家用電器控制界面等應(yīng)用中。該模塊具有單線觸摸功能，利用電容觸摸原理，感應(yīng)靈敏觸手可及，使用戶使用更為便捷迅速。而智能臺燈觸摸模塊中增加了默認(rèn)設(shè)置，其具有開關(guān)功能、調(diào)光功能、帶亮度記憶漸明漸暗的LED觸摸無級調(diào)光功能，用戶觸摸開燈時(shí)由暗轉(zhuǎn)亮，關(guān)燈時(shí)由亮轉(zhuǎn)暗，有效避免了臺燈亮度差異對眼睛的刺激。

三、監(jiān)測坐姿智能臺燈的實(shí)現(xiàn)路徑

（一）設(shè)置語音控制與坐姿感應(yīng)系統(tǒng)

為防止用戶在工作學(xué)習(xí)過程中由于坐姿不正確導(dǎo)致近視及身體病痛等問題，企業(yè)技術(shù)人員可在傳統(tǒng)節(jié)能LED智能臺燈基礎(chǔ)上，結(jié)合用戶需求與坐姿習(xí)慣，設(shè)置一種全新的能夠調(diào)整用戶坐姿不良習(xí)慣的臺燈設(shè)置系統(tǒng)，主要包括STM32主控系統(tǒng)、自適應(yīng)調(diào)光系統(tǒng)、坐姿矯正環(huán)節(jié)、人體紅外檢測功能、顯示單元以及聲光報(bào)警系統(tǒng)等幾部分內(nèi)容，它們能夠?qū)τ脩舨涣甲诉M(jìn)行不良坐姿感應(yīng)以及提供語音提醒。語音控制系統(tǒng)采用ssop24封裝，小巧便捷、操作方便，能夠辨認(rèn)出預(yù)先設(shè)置的語音編程詞條，并通過多個串口輸出語音指令。此系統(tǒng)支持多種采樣、IO輸出、揚(yáng)聲器播放，若用戶要想增大內(nèi)存容量，企業(yè)技術(shù)人員可加入外掛SPI Flash程序，設(shè)置多種詞條口令，為用戶提供較高的語音準(zhǔn)確率。在坐姿感應(yīng)系統(tǒng)中，企業(yè)技術(shù)人員可采用德國進(jìn)口LH 1778探頭，將高低電平控制在合理水平區(qū)間，當(dāng)檢測到人體坐姿輪廓時(shí)，便會輸出高電平;當(dāng)人體距離臺燈過近時(shí)，這一探頭會自動觸發(fā)語音提醒模塊，糾正用戶的不良坐姿;當(dāng)人體離開感應(yīng)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)輸出為低電平信號，亮著的臺燈便會自動斷電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保功能。這一系統(tǒng)不僅具有提醒其他設(shè)備運(yùn)作的對接功能，而且采用此種設(shè)備具有敏銳度高、操縱性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。

（二）設(shè)置坐姿及臺燈控制器

智能臺燈在改良過程中，為考慮到用戶的坐姿及駝背問題，需設(shè)置坐姿控制器及臺燈控制器兩種方式，即臺燈自動調(diào)光單元和坐姿矯正單元。臺燈自動調(diào)光單元的原理依據(jù)為LED光源伏安特性，技術(shù)人員通過調(diào)整LED供電電流大小，實(shí)現(xiàn)控制臺燈發(fā)光亮度。另外還采用PWM調(diào)制技術(shù)，進(jìn)一步確定了光照度區(qū)間與PWM占比空間之間的對應(yīng)關(guān)系，如下表：

技術(shù)人員在完成調(diào)整光源度之后，可利用系統(tǒng)中的坐姿感應(yīng)設(shè)備對臺燈是否正常進(jìn)行監(jiān)測。若有人使用臺燈，系統(tǒng)將根據(jù)周圍環(huán)境亮暗程度進(jìn)行自動調(diào)光，若用戶離開臺燈范圍，系統(tǒng)則顯示進(jìn)入省電模式，即完成臺燈智能化設(shè)置。坐姿矯正系統(tǒng)設(shè)計(jì)相較于臺燈控制較為簡單，利用測距傳感器將臺燈與用戶之間的距離設(shè)置合理定值并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過聲光預(yù)警單元提醒用戶及時(shí)調(diào)整坐姿，實(shí)現(xiàn)坐姿矯正功能[5]。

四、結(jié)語

新一代智能臺燈通過改進(jìn)光照度傳感器，增加光照對臺燈亮度的影響功能，與智能語音控制一起為用戶提供多元化選擇，實(shí)現(xiàn)語音與光照度雙重配合的系統(tǒng)設(shè)置模式，為用戶提供便捷操作體驗(yàn)和預(yù)防近視及身體駝背等不良習(xí)慣創(chuàng)造了條件。雖然這些智能臺燈設(shè)計(jì)在系統(tǒng)功能方面仍有許多地方值得進(jìn)一步探索與完善。但就當(dāng)前技術(shù)程度與智能化前景而言，智能臺燈的光照傳感、紅外傳感、語音播報(bào)等功能將更加完善，適用于廣大用戶的監(jiān)測坐姿功能也更加全面化、智能化、便捷化。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳雪嬌，潘思儒，易威.基于單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計(jì)[J].電子測試，2020（4）：30-31.

[2]苗紫民，程澤華，蘇彥兵.基于單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計(jì)[J].軟件，2019（11）：76-77.

[3]徐安安，任乘乘，吳珊珊.基于STC系列單片機(jī)對智能LED臺燈調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2016（6）：89-90.

[4]張啟龍，陳湘萍.基于STM32的智能互聯(lián)臺燈設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019（5）：152-153.

[5]魏熾旭，林泉康.基于51單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計(jì)[J].電子制作，2017（11）：40-41.

作者簡介：李寶文（1998— ），男，漢族，江西上饒人，中興通訊信息學(xué)院2018級本科在讀，研究方向：通信工程;李靈（1987— ），女，漢族，江西新余人，碩士，中興通訊信息學(xué)院，教師，研究方向：通信工程;黃錦稻（1998— ），男，漢族，江西吉安人，中興通訊信息學(xué)院2018級本科在讀，研究方向：通信工程;裴意軍（2000— ），男，漢族，江西崇仁縣人，中興通訊信息學(xué)院2018級本科在讀，研究方向：通信工程;程全義（1998— ），男，漢族，江西余干縣人，中興通訊信息學(xué)院2018級本科在讀，研究方向：通信工程;邱雄科（1999— ），男，漢族，江西永豐縣人，中興通訊信息學(xué)院2018級本科在讀，研究方向：通信工程。