家庭智造:智能坐姿提醒器

    王宁

    

    

    

    编者按：今年，信息技术实验室建设有望提上议事日程。“用教育信息化推动教育现代化”，现在的人们生活在一个家庭、学校、社会融合发展的共同体当中，因此，信息技術实验专栏也会与时俱进，推出“家庭智造”“信息科技典型实验”“数字科学”“创客产品”四个选题，从家庭教育、信息技术学科建设、信息技术与学科深度融合、创新创业与社会的可持续发展四个维度来看信息技术实验的发展。这样设计，一方面是期望从学科发展的层面通过开展信息技术实验提升学科专业性，另一方面也期望拓展信息技术实验的应用领域，在规范内核的同时拓展外延，因为“现代化”究竟是什么样子，答案就在我们的手中。

    家庭是社会创新的最小单位，伴随着桌面化加工设备和开源硬件的普及，人们在家里就可以制造出很多有实用功能的智能家具。这就像“家庭厨房”的一个升级版本，通过学校普及创客技能，让更多的家庭有这样的设施设备和家庭文化，让“智造”成为一种“家风”、一种终身学习的有效方式，这也是创客教育的发展方向之一。

    今天这件作品，出自我作为指导教师的I创·创客社团，小创客是这样描述设计初衷的：我的爸爸有很明显的驼背，究其原因，很可能是长时间伏案学习导致的，不知是不是遗传的因素，我也有轻微的驼背，所以他很着急，经常提醒我要端正读写姿势，爸爸还为我购买了纠正背带和防近视坐姿矫正器，可这两样东西我都不太喜欢，一个不能从根本上预防，戴着不舒服，另一个对课桌的要求太高，带到学校也不方便，同学们看见了，会认为我太另类。所以我就想能不能制作一个只有信用卡大小的电子坐姿提醒器，既方便携带，又能像爸爸一样的提醒我。这个选题很适合在家庭中完成，并且可以在居家使用的过程中不断改进。

    作为指导教师，我为他完善了以下两点：

    一是增加一个时间控制，45分钟或者30分钟，时间点到了，提醒学生休息。

    二是增加一个显示屏，所有的信息都可以通过屏显来了解。

    ● 设计思路

    ①需要一个距离传感器来测出人脑离书本的距离。

    ②需要一小屏幕来显示距离是否正确、学习时长、表现等信息。

    ③需要一个蜂鸣器，当出现错误的坐姿时，用声音来提醒学习者。

    ④45分钟的时间到了，蜂鸣器与屏显都会提醒学习者休息，并根据学习者在45分钟内的坐姿情况给出一个结论。

    ● 硬件准备

    坐姿提醒器是一个桌面家具，所以主控和各种传感器都要尽可能小，由于涉及一些并不常用的设备，这里需要详细介绍一下。

    主控：主控用的是DFrobot生产的Beetle BLE控制器，它的体型小，只有SD那么卡大，如上页图1所示。

    输出模块：采用Gravity I2C OLED-2864显示屏。相比传统的LCD，OLED具备更快的响应速度和更轻薄的体积优势，屏幕厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的三分之一左右，且功耗更低，抗震性好，可以广泛应用在移动设备的显示应用上。配合一些mini的Arduino主控器，如Beetle、CurieNano等小板，完全可以自己制作一款带显示功能的智能穿戴设备（如上页图2）。蜂鸣器用的是Dfrobot生产的数字蜂鸣器模块，如图3所示。

    输入模块：博光-50NK，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点（如图4），在这里我们将其用于检测人脑与书桌的距离。

    供电设备：电池用的是3.7V 500mAh可充电锂电池，体型尽可能要小。1A锂电池充电与保护一体TP4056电源模块板如图5所示。

    ● 硬件链接（如图6）

    ①Beetle控制器I2C OLED-2864显示屏，用到SDA、SCL两个引脚，I2C OLED-2864显示屏一共有四个针脚，Vcc和Gnd可以接在Vcc和Gnd上，SDA、SCL两个引脚则要接在控制器SDA、SCL的两个针脚上。

    ②博光-50NK光电传感器，属于数字模块，所以它接在了控制器的D2脚。

    ③数字蜂鸣器模块接在了控制器的D3脚。

    ④锂电池与充电模块、自锁开关及控制器的焊接。

    ● 情景呈现

    当人的头部距离书本太近，小于20厘米时，光电开关的指示红灯就会亮，达到了触发条件，蜂鸣器就会响，提示坐姿不正确。直到恢复正确的坐姿，蜂鸣器才会停止声响。坐姿矫正器还有计时的功能，当我们看书或者写字时间超过45分钟时，蜂鸣器也会提示我们休息10分钟。

    矫正器的正面有一个OLED显示屏，显示屏有四行，第一行显示的是已经学习了多少分钟，第二行显示坐姿是否正确（R正确，W错误），第三行提示保持正确的坐姿，第四行显示在这段时间内，有多少次错误的读写姿势。45分钟的学习时间之后，如果错误次数少于5次显示Good job鼓励，否则显示Warning警告语言（如图7）。

    ● 程序原理

    项目采用的是Mixly米思齐0.995，Mixly是模块化编程入门最简单的软件之一，它不是针对哪一类型的硬件设计的，能兼容很多流行的硬件，所以在中小学创客教育中有着广泛的应用。需要注意的是，编程的时候要调整为高级视图，否则就看不到与I2C OLED-2864显示屏相对应的模块。程序设计流程图如图8所示。

    图形化程序如图9所示，在这里使用变量mistake来表示用户是否出现了坐姿不规范的情况，并且同时用蜂鸣器的音效来提醒用户，与此同时用变量time来记录用户的学习时间，当学习时间超过45分钟后会提醒用户休息。

    目前，开源硬件的各种性能越来越接近手机。可以预见的是，开源硬件将会越来越多地像手机一样融入到我们的生活。所以，如何在移动终端进行个性化的学习是一个值得我们继续深入探讨的话题。