多頻采光智能矯姿護眼照明設備設計*

唐艷鳳，林俊強，馬振豐，鄭煥坡，尤海正

（廣東工業大學華立學院， 廣州 511325）

0 引言

隨著現代科學技術的不斷發展，生活用品的智能化程度也越來越高，人們對家居物品的人性化、智能化設計要求越來越高[1]，智能臺燈屬于智能居家大架構成員，傳統的單一亮滅的照明方式逐漸被智能照明設備所替代。當前，學生學習時間較長，其間會存在駝背、低頭、坐姿不正、眼睛距離桌面和紙張越來越近等問題，眼睛使用頻率高，容易造成眼疲勞。長此以往，用戶會出現駝背、脊柱不正、頸椎病等疾病[2]。于是，智能臺燈的發展也越來越受迫切[3]。

本文設計的多頻采光智能矯姿護眼照明設備，采用光感器件采集當前周圍環境亮度后通過主控計算得出最佳的光線方案，最后對LED 燈組亮度進行調節，從而對使用者達到護眼抗疲勞效果。該設備通過攝像頭實時檢測用戶的坐姿，當用戶坐姿與標準坐姿偏差超過閾值時，系統會進行語音播報提醒用戶端正坐姿。同時，該設備接有人體紅外傳感器，若使用者離開臺燈過久則會自動熄滅，從而達到節約能源的效果。

1 系統硬件架構及總體設計方案

系統分為硬件設計和軟件兩部分。硬件部分由ESP32、Jetson Nano、LED 護眼燈組、OLED 屏幕、熱釋電紅外傳感器、光感熱感傳感模塊、語音模塊及電源模塊組成；軟件部分由ESP32對各外圍模塊的驅動程序、多頻采光程序、PID智能調光算法和Jetson Nano 的人體坐姿檢測算法組成。該設備可實現紅外人體檢測、多頻采集光線強度、智能調光、坐姿識別及語音提醒。系統硬件架構如圖1所示。

圖1 系統硬件架構

2 系統硬件設計

2.1 ESP32

該芯片是一款高集成度、高性價比、功耗超低、主打安全的單核WiFi SoC，其除了含有CPU 外，還集成了2.4 GHz WiFi、藍牙模塊、豐富的I/O 口[4]。ESP32 在本項目產品中擔任系統主控的工作，通過SPI / SDIO或I2C / UART接口控制外圍電路，通過實時操作系統，多線程與外圍模塊進行通信。ESP32 可選擇多種頻率對外進行采光和測溫，以及處理數字信息并計算出當前最佳的調光方案。ESP32 接收Jetson Nano對坐姿的判別結果并進行語音提醒。ESP32 最小系統如圖2所示。

圖2 ESP32最小系統

2.2 Jetson Nano

Jetson Nano 開發板裝載4 核Cortex-A57CPU，GPU 選用規模最小的Maxwell 架構顯卡，有128 個CUDA 單元，配備了4 GB LPDDR4內存[5]。因此可通過其實現圖像識別、對象檢測和定位、姿勢估計、智能分析等強大功能。

在本項目中，Jetson Nano 搭載Dlib 人臉識別庫，通過檢測68個人臉特征點進行姿態分析。采用經典的梯度方向直方圖提取+線性分類器+圖像金字塔+滑動窗口的人臉檢測方法進行坐姿識別，分析產生的結果通過GPIO 轉換成相應的電平信號發送給ESP32 單片機，最終由ESP32 進行對用戶的矯姿提醒。

2.3 采光模塊

PCF8591 芯片是一款低功耗的8 位CMOS 數據獲取模塊，有4 個模擬輸入端口、1 個模擬輸出端口和1 個串行I2C 總線接口[6]。本設計通過ESP32 與該芯片進行IIC 通信，配合光敏電阻搭建的外圍電路能夠實現以多種頻率精確地采集外界光線強度并轉化為數字信息，再將其數字信息交由ESP32 進行下一步的智能調光操作。采光電路如圖3所示。

圖3 采光電路

2.4 照明模塊

照明設備調光可通過PWM脈沖寬制進行調節或直接對燈源功率進行調節。短時間內使用采用傳統PWM調光的照明設別用戶不會出現明顯不適，因為燈源的閃爍頻率比較高以至于人眼感覺不出來，但長時間使用會使用戶產生眼睛疲勞。該設備利用主控ESP32 的模數轉換功能對燈組輸入電壓進行調節，但ESP32 的I/O 口最大輸出電流較低，驅動能力較差，因此需對其進行功率放大的電路設計，從根本上解決了光源處頻閃和驅動能力不足的問題。經過優化后，該方式輸入功率平穩，通過智能調節可獲得滿足工作學習需求的舒適的光線環境。同時，冷暖光燈珠隔行排布，使兩種光源能更自然地混合，以達到護眼、抗疲勞的照明效果。光源功率放大電路如圖4所示。

圖4 光源功率放大電路

2.5 顯示模塊

為了讓用戶直觀地看到當前的環境溫濕度，選用類似于點陣屏的OLED顯示屏。OLED顯示屏具有構造簡單、自發光不需背光源、能耗低、對比度高、厚度薄、抗振蕩、視角廣、反應速度快、使用溫度范圍廣等優點，顯示穩定且效果好[7]。在本項目產品中作為人機交互界面，可顯示當前環境的溫度、亮度、手動調節下燈的亮度等級、當前時間、設備工作狀態等。OLED屏顯示電路如圖5所示。

圖5 OLED屏顯示電路

2.6 人體紅外感應模塊

HC-SR501人體紅外感應模塊，該模塊采用德國原裝進口的LH 1778探頭，敏銳性高、操縱性強[8]。廣泛應用于各類自動感應電器設備，其應用與本產品低功耗、節能環保的設計理念相符，因此本項目采用該人體紅外感應模塊，當人在使用范圍時，臺燈會正常工作。當人離開臺燈感應區域，在一段時間后會進行提醒并關燈，若長時間未關燈，設備會自動關燈來防止電量的浪費，以達到節能環保的效果。人體感應電路如圖6所示。

圖6 人體感應電路

2.7 語音播放模塊

DY-SV17F 語音模塊如圖7 所示。集成I/O 觸發、串口觸發與ONE-line 單總線觸發3 種模式，可通過USB 數據線連接電腦更改音頻文件[9]。設計中采用該模塊存儲音頻文件并驅動喇叭對用戶進行矯姿提醒。

圖7 語音播放電路

2.8 電源模塊

2.8.1 18650鋰電池

18650 鋰電池為產品提供后備電源，在斷開外部供電的情況下，由鋰電池進行供電，為設備實現長時間續航。

2.8.2 不間斷電源模塊

該模塊有充電升壓放電集一體的功能，由Microusb 進行電壓輸入，升壓后對本設備進行供電，并且對18650鋰電池進行充電操作。電源模塊電路如圖8所示。

其二，縱向研究。 即梳理晉學的學術思想理路，由荀子、韓非、王通、柳宗元等人，一路向下，到宋之孫復、司馬光，金元之際之元好問、郝經等人，明之薛瑄、孔天胤等人，清之傅山、閻若璩、范鄗鼎、徐繼畬等人，一路下行的學術思想之間，或者說河汾學派與河東學派、婁山學派之間，是否有著直接或間接的關聯。 而在這一脈相承的學術理路之間，外籍名宦、寓賢起過怎樣的作用，這些名宦、寓賢的學術所本又在哪里，與晉學的關系如何，等等。 當然，“寓賢”研究的范圍，還可由游晉的中國學者，擴大到如李提摩太這樣的外國學者。

圖8 電源模塊電路

3 系統軟件設計

3.1 系統總體流程

本文設計的臺燈有智能和手動兩種模式。系統初始化后默認進入智能工作模式，用戶可選擇切換至手動工作模式，人工控制臺燈的亮度及開關。智能調光模式下，系統對外界光線強度進行采集后對燈組進行智能調節，攝像頭檢測到用戶坐姿長時間不端正，會對用戶進行語音提醒，臺燈配置的人體紅外感應模塊長時間沒有檢測到人，會自動關燈，實現能源節約。系統總體流程如圖9所示。

圖9 系統工作流程

3.2 多頻采光

設備啟動后，ESP32 與PCF8591 進行IIC 通信，ESP32 設備以默認頻率向PCF8591 發送采光指令，PCF8591 接收到ESP32 發出采光指令后對采光電路進行電壓模擬量采集并將其轉換為數字信號，再將其數字信號發送回ESP32，等待ESP32 進行下一步處理操作。設備預設默認采光頻率，用戶也可根據自身工作環境需要重新設置采光頻率。越高的采光頻率意味著設備的采光性能愈靈敏，而越低的頻率能達到愈佳的低功耗效果。

其主控通過Arduino ide 進行開發編程，通過此方式進行開發，有著諸多好處，如：程序編譯難度不高，代碼維護簡單方便，運行內存占用率低，外設驅動開發封裝庫齊全等。圖10 所示為Arduino ide 開發環境下，ESP32 發送采光命令和接受數字信息的過程。

圖10 采光工作流程

3.3 智能調光

辦公學習離不開光源，光源的類型也有很多，不同的場合有不同的光線需求，3000 K 的色溫顯得周圍環境比較溫馨，使人比較昏昏易睡；4500 K 的色溫周圍環境比較溫和，適合大多數的場合使用；6500 K高色溫環境下視疲勞程度更高[10]。所以，選擇一種合適色溫的燈光和光強既可以提高工作的效率也能保護眼睛。

PID控制器自出現以來，憑借其原理簡單、穩定性高、操作性好等優點迅速成為工業控制的主要技術[11]。因此當外界光線發生變化時，系統會采用PID 算法對燈組電壓進行一個負反饋調節。首先用設定值（桌面上確定的光照強度）減去反饋值（通過光敏模塊采集到的數字量）得出偏差值error；再把在對多次測量的誤差進行積分得出intergral；接著求出誤差值減去上一次偏差值的微分derivative；最后通過公式得出補償值：

通過以上方法使用戶的工作亮度環境盡可能保持在一個穩定的值。調光工作流程如圖11所示。

圖11 調光工作流程

3.4 姿態識別

針對不同的人群，需要在使用前進行校準程序。臺燈剛打開進行初始化時會通過語音提示用戶端正坐姿并保持一定時間，云臺進行掃描，迅速定位用戶臉部所在位置并劃分出坐姿分區，此時語音提示用戶校準完成。

設備在使用過程中，云臺根據用戶臉部所在位置會自動調節水平位置，并實時分析用戶姿態，當用戶臉部進入到不良坐姿分區時，將與主控ESP32 進行串口通信，并發出語音提醒，還會根據用戶使用臺燈的當前時間和單次使用時長進行對比分析。例如：在深夜使用臺燈、用戶坐在臺燈前超過一定時長會提醒用戶注意休息。糾姿工作流程如圖12所示。

圖12 糾姿工作流程

4 系統測試

（1）模塊功能測試：接通電源，當臺燈檢測到用戶后，系統初始化，OLED 屏正常啟動，能顯示當前環境亮度比例，燈組亮度比例，當前環境溫度，開始計時已使用時長及18650鋰電池剩余電量。語音模塊播放提醒用戶端正坐姿的語音。當臺燈檢測到用戶長時間離開，會自動進入休眠模式，關閉燈組，暫停各模塊的工作。

（2）燈組燈光智能調節測試：燈組正常發光，當外界光線變化，燈組能做出相應的調節。

（3）坐姿檢測與提醒功能測試：系統初始化后，攝像頭掃描用戶人臉并定位，然后播放語音提醒用戶調整到正確坐姿，之后便進入監測模式。當用戶短時間內坐姿與標準坐姿有偏差，系統會視為用戶是放松狀態；當用戶長時間坐姿不正確，播放語音正常，提醒用戶矯正坐姿。設備原型及調試場景如圖13所示。

圖13 設備原型及調試場景

5 結束語

本文針對智能照明的應用需求開發的一款多頻采光智能矯姿護眼照明設備。該設備通過多種可調頻率采集外界光線環境后通過PID 算法計算得出當前環境最佳光線的調節方案，以達到護眼的效果；同時通過Jetson Nano 板載攝像頭實時檢測用戶坐姿，并在檢測到不良坐姿時通過語音做出糾姿的溫馨提醒，最終達到多頻采光、智能調光、姿態矯正的目的，具有較強的實用價值。在后續的研究中，將進一步優化設備智能調光的算法與姿態識別的相關算法，從而提高該多頻采光智能矯姿護眼照明設備的精確性與智能性。