基于NodeMCU和WxBit的智能臺燈設計

袁秋鳳

（寧德師范學院 信息與機電工程學院，福建 寧德 352100）

據(jù)國家衛(wèi)健委相關調(diào)查統(tǒng)計，2018年中國兒童青少年總體近視率為53.6%.在新型冠狀病毒肺炎期間，眼科專家在對廣州12所小學2～3年級小學生近視發(fā)展變化的監(jiān)測研究中發(fā)現(xiàn)，中國小學生的近視發(fā)病率有所增加[1].目前，兒童青少年的近視防控措施主要著眼于改善用眼環(huán)境，包括：增加戶外活動時間、控制合適的用眼時間、創(chuàng)造照度良好的學習環(huán)境、保證充足的睡眠和營養(yǎng)等.兒童青少年主要的用眼場景是獨立臥室的書桌，臺燈作為常用的學習工具，對視力的影響不容忽視.傳統(tǒng)臺燈用于照明，功能單一，智能臺燈的出現(xiàn)，使臺燈的功能更加多樣化.智能臺燈多采用單片機作為控制器，利用傳感器檢測技術，實現(xiàn)臺燈的自動控制.近年來，對于智能臺燈的研究，主要集中在節(jié)電和護眼功能的開發(fā)上.劉艷峰[2]設計的基于STM32單片機的智能臺燈控制系統(tǒng)，通過熱釋紅外傳感器檢測人體是否存在，自動控制臺燈的亮滅；利用光敏電阻檢測環(huán)境光強，自動調(diào)節(jié)臺燈的亮度；通過紅外測距傳感測量人體距離，當小于限定距離時自動發(fā)聲報警.龍洋等[3]研發(fā)的基于智能家居的防近視智能臺燈，利用單片機內(nèi)部的定時器和語音模塊實現(xiàn)計時和語音提醒功能.王聰?shù)萚4]設計的基于51單片機的智能臺燈，利用藍牙模塊實現(xiàn)了百米距離內(nèi)控制臺燈亮度的功能.目前市面上還出現(xiàn)了一些智能學習臺燈，能夠?qū)崿F(xiàn)家教、通話等功能，但價格普遍較高.文中基于NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，設計一款價格低廉、結(jié)構簡單、具有遠程監(jiān)控功能的LED智能臺燈，能夠?qū)崿F(xiàn)家長對孩子用眼環(huán)境和用眼行為的實時監(jiān)控，可以作為孩子和家長聯(lián)合防控近視的一種輔助手段.

1 智能臺燈設計方案

智能臺燈總體設計方案如圖1所示.

圖1 智能臺燈總體設計方案

智能臺燈由臺燈終端和手機APP（application，應用程序）構成，使用對象為孩子和家長.臺燈終端由孩子控制，主要由控制器、光源、讀寫距離檢測電路、按鍵電路、語音提示電路和電源組成，具備亮度調(diào)節(jié)、讀寫距離檢測、用眼時間計時和語音提醒功能.手機APP 由家長操作，可以監(jiān)測臺燈亮度、讀寫距離和用眼時間，以及遠程控制臺燈的關閉.臺燈終端和手機APP 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用基于MQTT（message queuing telemetry transport，消息隊列遙測傳輸）協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)云平臺.

2 臺燈終端的設計

2.1 臺燈終端的硬件電路設計

臺燈終端主要由NodeMCU 開發(fā)板、WS2812B環(huán)狀燈板、HC-SR04超聲波傳感器、DY-SV17F語音播放模塊、4 Ω 3 W 喇叭和四腳鈕子開關等組成，使用5 V 直流電源供電.利用Fritzing 軟件繪制的電路接線圖如圖2 所示.由于Fritzing 軟件元件庫中沒有WS2812B 環(huán)狀燈板和DY-SV17F 語音播放模塊，可使用InkScape軟件自制元件.

圖2 智能臺燈終端電路接線圖

本設計采用樂鑫ESP8266 的NodeMCU 開發(fā)板作為核心控制器，它是一款超低功耗、高性價比的開源物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，可支持UART、IIC、PWM、GPIO 和ADC 等接口[5]，在物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)中廣泛采用.WS2812B 環(huán)狀燈板作為臺燈照明光源，它是一種采用單總線協(xié)議的可編程智能LED 光源，集成了WS2812B控制芯片和5050RGBLED 發(fā)光電路，最多支持1 024個LED 燈珠的級聯(lián)，每個LED 燈珠可編程控制顯示不同的顏色和亮度.HC-SR04 超聲波傳感器用于檢測讀寫距離，它基于超聲波發(fā)射和反射原理實現(xiàn)距離的測量，通過時間差計算臺燈和人之間的距離.DY-SV17F 語音播放模塊、4 Ω 3 W 喇叭和3個10 kΩ 的電阻組成語音提示電路.DY-SV17F 是一款智能語音模塊，集成IO 分段觸發(fā)控制（包括IO 組合模式和IO 獨立模式）、UART 串口控制、單總線串口控制、標準MP3 等7 種工作模式，可通過USB 數(shù)據(jù)線連接電腦更新音頻文件.四腳鈕子開關用于控制臺燈的開關和亮度模式.

為充分利用NodeMCU 開發(fā)板有限的IO 資源，具體電路接法和功能如下.D10（GPIO1）引腳和D9（GPIO3）引腳作為串口，實現(xiàn)智能臺燈與物聯(lián)網(wǎng)云平臺服務器之間的WiFi 通信.D6（GPIO12）引腳連接WS2812B 環(huán)狀燈板的DI 引腳，用于驅(qū)動WS2812B.D7（GPIO13）引腳連接四腳鈕子開關，采用上拉模式接法，用于檢測按鍵輸入.D1（GPIO5）引腳、D2（GPIO4）引腳分別連接HC-SR04 超聲波傳感器的Trig 引腳和Echo引腳，用于控制超聲波傳感器發(fā)送和接收信號.D5（GPIO14）引腳、DS3（GPIO10）引腳分別連接DY-SV17F語音播放模塊的IO1引腳、IO2引腳，用于觸發(fā)輸出語音提示信息.

本設計中的DY-SV17F語音播放模塊采用IO獨立模式1電平觸發(fā)方式，即IO0～IO7獨立控制8首曲目，曲目文件必須以5 位數(shù)字格式命名，包括00001.mp3～00008.mp3.當某一個IO 口為低電平時，對應的曲目播放，當該IO口恢復高電平，當前曲目停止播放.IO獨立模式1的電路連接需將CON3/BUSY、CON2和CON1三個引腳的電平配置為011.

2.2 臺燈終端的控制程序設計

NodeMCU 通常使用方便快捷的Lua 語言和Arudio IDE 進行開發(fā)[6].臺燈終端控制程序基于Arudio IDE開發(fā)，采用C++語言，利用免費的巴法云物聯(lián)網(wǎng)開放平臺發(fā)布和訂閱消息.

在臺燈終端控制程序設計之前，需要完成如下工作.注冊并登陸巴法云物聯(lián)網(wǎng)開放平臺，選擇“MQTT 設備云”，新建臺燈模式、讀寫距離和用眼時間3 個主題，并記錄下MQTT 服務器連接的用戶私鑰、端口號和主題名.臺燈終端控制程序的整體運行流程如圖3所示.

圖3 臺燈終端控制程序流程圖

程序的初始化配置包括設置NodeMCU 的串口波特率、IO口、定時器和燈板初態(tài).使用Ticker對象實現(xiàn)按鍵延時消抖、定時發(fā)布消息、讀寫距離定時檢測和用眼計時.定時時間分別設定為10 s、30 s、2 min和1 h.當讀寫距離小于30 cm或用眼時間超過1 h，語音模塊將播放相應的音頻文件，提示孩子調(diào)整用眼行為.程序中將臺燈的亮度設置為燈滅、小夜燈、閱讀和書寫4 種模式，分別用按鍵短按1～4 次實現(xiàn)模式切換.通過調(diào)用第三方庫Adafruit_NeoPixel，采用RGB 色彩模式實現(xiàn)WS2812B LED 燈珠的亮度調(diào)節(jié).臺燈終端向巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺的MQTT服務器發(fā)布臺燈模式、讀寫距離和用眼時間三類消息，并訂閱臺燈模式主題的消息.

3 手機APP的設計

家長通過操作智能臺燈的手機APP，可以連接或斷開MQTT 服務器，查看臺燈模式、讀寫距離和用眼時間信息，以及遠程控制關燈，可不受時空限制地監(jiān)測孩子的用眼環(huán)境和用眼行為.

智能臺燈手機APP的開發(fā)環(huán)境采用WxBit軟件，它是基于MIT APP Inventor 開源代碼優(yōu)化定制的漢化版[7-8]，集成了百度飛槳、百度語音、高德地圖等多種國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質(zhì)服務.智能臺燈手機APP 的界面布局如圖4所示，采用水平布局，使用的組件有標簽、按鈕、圖像框、信息對話框和MQTT客戶端等.

圖4 手機APP界面布局

智能臺燈手機APP 的邏輯設計流程如圖5 所示.創(chuàng)建的全局變量包括：MQTT 服務器URL 地址、MQTT 服務器用戶連接私鑰和主題類型.主要涉及的對象和事件包括：屏幕初始化、按鈕被點擊、MQTT客戶端已連接、MQTT 客戶端連接中斷、MQTT 客戶端收到消息.各事件內(nèi)部主要采用分支結(jié)構.以“MQTT 客戶端收到消息事件”為例，當MQTT 客戶端收到消息時，先判斷主題類型，若主題為臺燈亮度模式，則再判斷臺燈亮度模式為燈滅、小夜燈、閱讀和書寫中的哪一種，并顯示對應的模式文本信息和圖像信息；若主題為讀寫距離，則顯示讀寫距離值，若讀寫距離小于30 cm，則彈出消息提示對話框；若主題為用眼時間，則顯示用眼時間值，若用眼時間大于1 h，則彈出消息提示對話框且手機發(fā)聲振動；若收到的消息不為上述3個主題，則彈出“接收信息出錯”的消息提示對話框.

圖5 手機APP的邏輯設計流程圖

4 智能臺燈的運行結(jié)果

孩子啟動智能臺燈終端后，可利用按鍵手動切換臺燈的亮度模式，家長的手機APP 可以監(jiān)測臺燈的工作狀態(tài)和孩子的用眼情況.當孩子的讀寫距離、用眼時間不規(guī)范時，將語音播放提示信息，同時手機APP 彈出消息對話框提醒家長.家長也可以通過遠程關燈操作，間接制止孩子不合理的用眼行為，以及沒有及時關燈浪費電能的不良行為.手機APP運行結(jié)果如圖6所示.

5 總結(jié)

智能臺燈由臺燈終端和手機APP 兩部分組成，臺燈終端以NodeMCU 開發(fā)板為核心，手機APP 的設計基于WxBit開發(fā)環(huán)境，通過巴法云物聯(lián)網(wǎng)開放平臺實現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱.通過臺燈終端既能手動設置臺燈亮度模式、定時檢測讀寫距離和用眼時間，并將這3 項數(shù)據(jù)發(fā)布至物聯(lián)網(wǎng)平臺，又能接收臺燈模式主題消息，控制臺燈的關閉.而手機APP 既能手動連接或斷開物聯(lián)網(wǎng)平臺、訂閱主題、顯示孩子的用眼環(huán)境和用眼數(shù)據(jù)，又能發(fā)布滅燈消息遠程控制臺燈的關閉.文中設計的智能臺燈結(jié)構簡單、界面簡潔、成本低廉，硬件設計和軟件開發(fā)較易實現(xiàn)，可以作為保護孩子視力的輔助工具.因考慮到智能臺燈的開發(fā)成本，受限于NodeMCU 有限的IO 資源，本設計未采用距離檢測精確度和可靠性更高的傳感器，后期將在提高終端控制器性能的基礎上，進一步改良臺燈的功能.