基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧眼鏡架設(shè)計(jì)

余正發(fā)，徐倩倩，吳倩倩

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息學(xué)院，安徽淮南，232001）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，眼鏡已逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵贰＞湍壳暗那闆r來說，眼鏡的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三類人身上。第一類是近視人群，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國初高中生及大學(xué)生的近視率均超過70%[1]。第二類是老年人群體，隨著年齡的逐漸增長，人體的各項(xiàng)機(jī)能正逐步下降，其中最為明顯的特征就是老年人出現(xiàn)的老花眼。第三類是使用智能眼鏡及墨鏡的一部分人群，雖然這類人群比較稀少，但在巨大的人口基數(shù)面前仍占據(jù)了一定比例[2]。以上三類人提供了目前社會(huì)對眼鏡的巨大需求。

目前，基于社會(huì)價(jià)值的驅(qū)動(dòng)和電子信息技術(shù)的發(fā)展，對眼鏡的研究逐漸加深，但大多分布在智能眼鏡[3]、鏡片光學(xué)領(lǐng)域[4]，卻很少有研究者做關(guān)于眼鏡對用戶的舒適度以及用眼健康方面的研究。

本文重點(diǎn)瞄準(zhǔn)眼鏡用戶關(guān)注的兩大問題：冬季眼鏡鏡片起霧問題，用眼疲勞問題。針對這兩大問題，本文以STM32單片機(jī)為硬件基礎(chǔ)、C語言為開發(fā)語言并利用各種電子與信息技術(shù)手段，探索與研究基于智能除霧與用眼疲勞檢測為一體的智能眼鏡架設(shè)計(jì)。本項(xiàng)設(shè)計(jì)或許能有效改善眼鏡用戶的使用體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，本設(shè)計(jì)由防霧除霧系統(tǒng)、眼球監(jiān)控系統(tǒng)、佩戴監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)組成。其中，STM32CPU作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)各個(gè)外圍傳感器和執(zhí)行器執(zhí)行特定的功能。溫度傳感器、驅(qū)動(dòng)、電發(fā)熱絲構(gòu)成除霧防霧系統(tǒng)，攝像頭、壓力傳感器構(gòu)成眼球監(jiān)控系統(tǒng)和佩戴檢測系統(tǒng)用于提供健康輔助，ESP-12wifi模塊構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)用于連接用戶app進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖 1 系統(tǒng)框架圖

圖 2 防霧除霧系統(tǒng)控制框圖

■ 1.1 防霧除霧系統(tǒng)

鏡片上的霧氣是空氣中的水蒸氣在冷凝作用下形成的微小水滴。霧氣的形成包含兩個(gè)條件，空氣中有水分，且水汽的溫度比鏡片上的溫度高。當(dāng)戴眼鏡的人從寒冷的室外走進(jìn)暖和的室內(nèi)后，鏡片上會(huì)出現(xiàn)一層小水珠擋住視線。因?yàn)檠坨R片在室外溫度是很低的，進(jìn)入暖和的屋子后，屋子溫度高的空氣中含有的水蒸氣遇到溫度低的鏡片后液化(凝結(jié))成小水珠，附著在鏡片上。查閱有關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，一般眼鏡鏡片承受最高溫度為60℃。然而，即使是炎熱的夏天水蒸氣溫度也不會(huì)達(dá)到40℃，人體呼出的水蒸氣最高也才達(dá)到人體正常溫度。故如果使鏡片溫度升高到與水蒸氣溫度相當(dāng)，打破形成霧氣的條件之一，即可達(dá)到防霧除霧的效果。

防霧除霧系統(tǒng)由溫度傳感器組、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、低壓電發(fā)熱絲及STM32組成。溫度傳感器組用于檢測鏡片溫度，溫度傳感器反饋回來的信號，通過STM32ADC采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過單片機(jī)計(jì)算得出實(shí)時(shí)溫度值。再將實(shí)時(shí)溫度與水蒸氣溫度進(jìn)行對比分析，通過PID算法計(jì)算出STM32應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生的PWM信號的占空比值，然后電機(jī)驅(qū)動(dòng)由該P(yáng)WM信號輸出驅(qū)動(dòng)電壓到低壓電發(fā)熱絲，低壓電發(fā)熱絲工作產(chǎn)生熱量，低壓電發(fā)熱絲內(nèi)置于鏡框中使眼鏡片溫度升高直至達(dá)到水蒸氣的溫度。圖2為防霧除霧系統(tǒng)的過程控制框圖。

該過程中的PID算法屬于動(dòng)態(tài)的閉環(huán)控制，使用PID控制算法，使鏡片溫度快速到達(dá)水蒸氣溫度，并維持動(dòng)態(tài)平衡，且不超調(diào)，不會(huì)使溫度不斷升高造成眼鏡鏡片損壞。

PID控制是應(yīng)用非常廣泛的控制算法,當(dāng)?shù)玫较到y(tǒng)的輸出后，將輸出經(jīng)過比例，積分，微分3種運(yùn)算方式，疊加到輸入中，再接著控制系統(tǒng)的行為，算法過程如圖3所示。

圖 3 PID算法框圖

■ 1.2 眼球監(jiān)控系統(tǒng)

眼球監(jiān)控系統(tǒng)由灰度攝像頭模塊與STM32連接組成，攝像頭采集到的圖像為灰度圖，灰度圖是只含有黑白兩種顏色，和0～255亮度等級的圖片，255代表全白，0表示全黑。這能更好地減小光線干擾的問題，且灰度圖具有儲(chǔ)存小的優(yōu)點(diǎn)，其亮度值就是256色調(diào)色板索引號[5]。從整幅圖像的整體和局部的色彩以及亮度等級分布特征來看，灰度圖所描述的與彩色圖所描述的具有一致的特點(diǎn)，且使CPU處理所占用的資源較少，計(jì)算速度更快，提高效率。

眼睛，它的的主體部分為眼球，清澈、黑白分明。黑色部分是瞳孔與虹膜，每個(gè)人的瞳孔都是黑色的，眼球表面的其他部分是白色的，而眼睛附近的皮膚及眼皮幾乎是白色的。故當(dāng)眼睛睜開時(shí)攝像頭采集的圖像有黑色的圓形，該區(qū)域像素點(diǎn)亮度值很低。當(dāng)眼睛閉上時(shí)只能采集到皮膚的顏色，皮膚的顏色接近于白色，該區(qū)域像素點(diǎn)亮度值會(huì)很高，所以此黑色圓形為眼睛閉上與睜開的一個(gè)明顯區(qū)別特征。

攝像頭置于鏡架內(nèi)部，用于監(jiān)視眼睛。當(dāng)眼睛由長時(shí)間睜開或閉上切換到長時(shí)間閉上或睜開的時(shí)刻，攝像頭及STM32檢測到這一變化，立刻記錄時(shí)間及事件，保存到EEPROM。在兩次事件之間的時(shí)間內(nèi)，眼睛即為長時(shí)間睜開或閉上狀態(tài)，可以理解為用眼與休息的時(shí)間，STM32計(jì)算此時(shí)間間隔也保存到EEPOM。

STM32先將采集到的圖像幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)數(shù)組中，然后進(jìn)行提取，分割眼睛所在大致區(qū)域的圖像所對應(yīng)數(shù)組里面的內(nèi)容并存放到另一個(gè)數(shù)組，以減小其他區(qū)域?qū)ρ矍虿糠謭D像處理造成的影響。然后對新的圖像數(shù)組內(nèi)容進(jìn)行分析，先使用大津法計(jì)算出一個(gè)合適的閾值，然后對圖像進(jìn)行二值化處理，二值化后的圖像再保存到一個(gè)新的數(shù)組，此時(shí)的圖像是只有黑色與白色的黑白圖，瞳孔部分會(huì)呈現(xiàn)黑色，其他的地方都是呈現(xiàn)白色。計(jì)算該區(qū)域的像素的亮度值總和，可以很清楚的判斷到睜眼與閉眼的數(shù)據(jù)特征，從而記錄事件。圖4眼球監(jiān)控系統(tǒng)的程序流程圖。

圖 4 眼球監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

大津法又叫最大類間方差法是由日本學(xué)者大津于1979年提出的，是一種自適應(yīng)的閾值確定法，簡稱OTSU[6]。它被認(rèn)為是圖像處理求閾值的最佳算法，簡單計(jì)算，不受圖像亮度和對比度的影響。它按圖像的灰度特性，假設(shè)閾值將圖像分成前景和背景兩部分，求這兩個(gè)部分的類間方差，前景像素個(gè)數(shù)占比x(前景平均灰度 - 全圖平均灰度)^2 + 背景像素個(gè)數(shù)占比x(背景平均灰度 - 全圖平均灰度)^2,將閾值從0～255遍歷一次，使上述類間方差最大的閾值即為所求。

■ 1.3 佩戴檢測系統(tǒng)

佩戴檢測系統(tǒng)由電阻式薄膜壓力傳感器與STM32組成，這款壓力傳感器將施加在傳感器薄膜區(qū)域的壓力轉(zhuǎn)換成電阻值的變化從而獲得壓力信息，壓力越大，電阻越低。將此傳感器與一定值電阻串聯(lián)，傳感器一端接3.3V,定值電阻一端接GND，STM32adc采集定值電阻的電壓，電路連接原理如圖5所示。當(dāng)壓力增大，壓力傳感器電阻降低，故adc采集定值電阻分壓增大；當(dāng)壓力變小，壓力傳感器電阻降低，故adc采集定值電阻分壓減小。

配戴眼鏡時(shí)，眼鏡架的鏡腿與頭部處于一種輕微加緊的狀態(tài)，當(dāng)不佩戴眼鏡時(shí)便處于放松的狀態(tài)。將壓力傳感器置于鏡腿部分，在佩戴眼鏡與摘下眼鏡的兩種不同狀態(tài)下，壓力傳感器會(huì)產(chǎn)生不同的信號，故很容易根據(jù)STM32adc采集的數(shù)據(jù)判斷是否佩戴眼鏡。然后STM32記錄下佩戴與不佩戴眼鏡兩種狀態(tài)變化的時(shí)間點(diǎn)，保存到EEPOM中，程序流程如圖6所示。

圖 5 壓力傳感器電路連接原理圖

圖 6 佩戴檢測系統(tǒng)程序流程圖

■ 1.4 實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)

時(shí)鐘系統(tǒng)由STM32內(nèi)部的RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘構(gòu)成，外接32.768kHz晶振提供時(shí)鐘源與電源使系統(tǒng)時(shí)間掉電不丟失。能產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日等信息。為其他系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)提供時(shí)間。

■ 1.5 物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)

WIFI無線通信系統(tǒng)由ESP_12wifi模塊或藍(lán)牙模塊與STM32串口通信、手機(jī)app組成。ESP_12fwifi模塊與手機(jī)app無線連接且能進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，ESP_12wifi又與STM32串口通信，使得通過ESP_12wifi作為媒介使手機(jī)app與STM32進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。

當(dāng)手機(jī)app連接系統(tǒng)時(shí)，STM32提取當(dāng)日在EEPROM中保存的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算，得出當(dāng)日佩戴眼鏡時(shí)長，與用眼時(shí)長等數(shù)據(jù)，將一些列數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)app,得出當(dāng)日用眼報(bào)告，提醒用戶，適當(dāng)休息，緩解眼疲勞，保護(hù)視力。

2 結(jié)束語

以STM32為主控芯片，C語言為開發(fā)語言設(shè)計(jì)的一款具有溫度檢測與溫度控制，眼球監(jiān)控，佩戴時(shí)間監(jiān)測，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，和物聯(lián)網(wǎng)通信功能的智慧眼鏡架，實(shí)現(xiàn)了鏡片防霧除霧，眼鏡佩戴時(shí)間用眼時(shí)間的監(jiān)測，提醒佩戴者適當(dāng)休息，保護(hù)視力的作用，為佩戴者健康生活出行提供了便利。

在電子信息技術(shù)廣泛應(yīng)用、可穿戴設(shè)備技術(shù)的迅猛的發(fā)展中，我國相比于發(fā)達(dá)國家來說還是較為落后。盡管目前在某些領(lǐng)域內(nèi)，各種有關(guān)自主研發(fā)的可穿戴智能設(shè)備層出不窮，但是實(shí)用型技術(shù)與操作依然存在或多或少的問題。相信在電子信息技術(shù)不斷向前發(fā)展的時(shí)代，在智能電子產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)的新形勢下，我國在這一技術(shù)行業(yè)一定會(huì)有較大的進(jìn)步和發(fā)展。