监测坐姿智能台灯的设计与实现

    李宝文 李灵 黄锦稻 裴意军 程全义 邱雄科

    

    摘 要：由于现代大众在日常工作、学习中接触电子化设备十分频繁，久而久之容易造成视力下降、身体酸痛等问题，而这些問题的出现与不良坐姿习惯具有较大联系。因此相关智能企业从大众这一问题层面出发，积极探索新一代环保型、智能型的智能台灯产品，既能满足大众照明需求，同时还能以合理的设计空间和设计结构监测用户坐姿，保证用户养成良好坐姿习惯，避免产生身体其他危害，具有重要理论意义和实用价值。

    关键词：监测坐姿;智能台灯;设计

    台灯作为常见的工作和生活用品，应用范围十分广泛，适用于各年龄阶段的人群，具有极强的发展潜力。在现代社会中，青少年以及社会工作人员视力下降问题越来越明显，于是“护眼台灯”“无眩光、无频闪”台灯等受到众多人群的青睐。而且通过调查了解到众多用户希望台灯能够具有一定的特殊功能，比如语音聊天、闹钟设置、防近视监测等，这些独特的功能需求为企业智能台灯的设计提出了新的挑战。

    一、监测坐姿智能台灯的设计意义

    （一）有助于培养用户良好的工作学习习惯

    随着现代社会能源紧缺现象的加剧，绿色能源观念逐渐深入人心，追求产品的节能环保性与健康便捷性已成为社会潮流趋势，但是市场中部分灯具产品不但功能单一，而且还不利于纠正用户正常工作和学习方式，使得多数用户视力和身体健康受到影响。于是智能台灯应运而生。这一台灯类型多样，有STM32的智能互联台灯、单片机智能台灯、智能LED台灯等，用户能够通过智能控制、语音操作以及手动操作等方法调整台灯的亮度和照明强弱，实现声控和防近视功能，久而久之不良坐姿将会得以纠正，从而养成良好学习工作习惯。[1]

    （二）有助于发挥智能台灯的功能

    智能台灯以树莓派系统、可视化智能屏幕、超声波触摸模块、LED电路以及3D打印造型等系统构成，整个系统中各部位相互作用、相互融通，能够将电能迅速转化为可见光的固态形式，实现持续光照和随机调和光度。如此不仅能实现绿色光源开发目的，还能发挥台灯智能化、便捷化的全方位功能。除此之外，当前市场上存在的STM32智能互联台灯类型，是用户较为喜欢也是使用较为广泛的一种台灯类型，其不仅功能齐全，而且还能监测用户坐姿，能够极大避免市场上其他灯具出现的弊端，是现代社会智能台灯的典型改革例子和创新实践成果，充分发挥了智能台灯的服务功能[2]。

    二、监测坐姿智能台灯的设计流程

    （一）智能台灯前期阶段

    智能台灯监测阶段是台灯在投入使用时需再次进行设备零件检验的过程。比如STM32的智能互联台灯，使用STM32作为主控开发板以及Android Studio软件APP为开发平台，首先需在Android studio软件开发平台中检查“智能台灯”编写名称，以及智能台灯型号配对与远程监控功能是否完好，然后在应用主页面上的多种灯光模式选择功能中，检验具有进度调节灯光亮度的设备零件、当前温湿度平衡度显示、光强度设定范围、时间定时开关、语音开关以及工作数据显示等内容，为用户的便捷和安全提供先期保障。

    （二）智能台灯运行阶段

    智能台灯运行阶段主要可分为两个模块：其一，超声波模块。超声波模块主要包括发射信号、接收信号、处理信号三方面内容，用户在使用超声波进行监测坐姿时，其中的测距功能会持续运转，当用户坐姿偏差太大或者坐姿不正确，其会立即发出振动或提示音，以便及时提醒用户注意纠正坐姿行为，比如STM32F103C8T6单片机中的蜂鸣器报警模块系统就有这一功能，能够帮助用户养成良好坐姿习惯。其二，人体热释电探头。这一智能系统在设计过程中考虑到人体感应作用，当人体感应模块与人体活动方向保持平衡时，热释电模块便能及时检测到是否有人经过，若有返回信号则台灯自动开启，极大方便了用户第一时间使用及记录工作学习时间。同时用户在夜间使用时，设备一旦感应到有人经过便会自动开灯，既不会影响家人休息，也不会影响夜间工作学习质量[3]。

    （三）智能台灯后期控制阶段

    智能台灯后期控制阶段为最后设计阶段，其包括三个阶段的内容：其一，温湿度模块。多数智能台灯光度恒定采用的都是DHT11数字温湿度传感器，这一传感器中含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其具有数字模块采集功能和温湿度传感功能，能够使用户在使用过程中长期稳定操作。而且这一传感器是由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，又加入了高性能8位单片机，不仅提高了光源分辨率，而且还使台灯的灵敏度有了质的提升。企业选择这一模块用来实时监测台灯周围的环境变化，便于给用户提供更加健康、舒适的工作学习环境。其二，时钟显示模块。时钟显示模块在智能台灯中也是较为常见的一种设计系统，其中的实时时钟日历芯片具有编程输出功能，能够为用户获取实时工作学习信息提供准确时间规划，也可将系统与手机APP相连接，如此用户在手机上便可实现学习、工作时长的规划与安排。其三，电容式触摸模块。这一模块在智能设备系统中通常适用于遥控器、灯具调光、各类开关以及车载、小家电和家用电器控制界面等应用中。该模块具有单线触摸功能，利用电容触摸原理，感应灵敏触手可及，使用户使用更为便捷迅速。而智能台灯触摸模块中增加了默认设置，其具有开关功能、调光功能、带亮度记忆渐明渐暗的LED触摸无级调光功能，用户触摸开灯时由暗转亮，关灯时由亮转暗，有效避免了台灯亮度差异对眼睛的刺激。

    三、监测坐姿智能台灯的实现路径

    （一）设置语音控制与坐姿感应系统

    为防止用户在工作学习过程中由于坐姿不正确导致近视及身体病痛等问题，企业技术人员可在传统节能LED智能台灯基础上，结合用户需求与坐姿习惯，设置一种全新的能够调整用户坐姿不良习惯的台灯设置系统，主要包括STM32主控系统、自适应调光系统、坐姿矫正环节、人体红外检测功能、显示单元以及声光报警系统等几部分内容，它们能够对用户不良坐姿进行不良坐姿感应以及提供语音提醒。语音控制系统采用ssop24封装，小巧便捷、操作方便，能够辨认出预先设置的语音编程词条，并通过多个串口输出语音指令。此系统支持多种采样、IO输出、扬声器播放，若用户要想增大内存容量，企业技术人员可加入外挂SPI Flash程序，设置多种词条口令，为用户提供较高的语音准确率。在坐姿感应系统中，企业技术人员可采用德国进口LH 1778探头，将高低电平控制在合理水平区间，当检测到人体坐姿轮廓时，便会输出高电平;当人体距离台灯过近时，这一探头会自动触发语音提醒模块，纠正用户的不良坐姿;当人体离开感应区域时，系统输出为低电平信号，亮着的台灯便会自动断电，实现节能环保功能。这一系统不仅具有提醒其他设备运作的对接功能，而且采用此种设备具有敏锐度高、操纵性强的特点[4]。

    （二）设置坐姿及台灯控制器

    智能台灯在改良过程中，为考虑到用户的坐姿及驼背问题，需设置坐姿控制器及台灯控制器两种方式，即台灯自动调光单元和坐姿矫正单元。台灯自动调光单元的原理依据为LED光源伏安特性，技术人员通过调整LED供电电流大小，实现控制台灯发光亮度。另外还采用PWM调制技术，进一步确定了光照度区间与PWM占比空间之间的对应关系，如下表：

    技术人员在完成调整光源度之后，可利用系统中的坐姿感应设备对台燈是否正常进行监测。若有人使用台灯，系统将根据周围环境亮暗程度进行自动调光，若用户离开台灯范围，系统则显示进入省电模式，即完成台灯智能化设置。坐姿矫正系统设计相较于台灯控制较为简单，利用测距传感器将台灯与用户之间的距离设置合理定值并进行实时监测，通过声光预警单元提醒用户及时调整坐姿，实现坐姿矫正功能[5]。

    四、结语

    新一代智能台灯通过改进光照度传感器，增加光照对台灯亮度的影响功能，与智能语音控制一起为用户提供多元化选择，实现语音与光照度双重配合的系统设置模式，为用户提供便捷操作体验和预防近视及身体驼背等不良习惯创造了条件。虽然这些智能台灯设计在系统功能方面仍有许多地方值得进一步探索与完善。但就当前技术程度与智能化前景而言，智能台灯的光照传感、红外传感、语音播报等功能将更加完善，适用于广大用户的监测坐姿功能也更加全面化、智能化、便捷化。

    参考文献：

    [1]陈雪娇，潘思儒，易威.基于单片机的智能台灯设计[J].电子测试，2020（4）：30-31.

    [2]苗紫民，程泽华，苏彦兵.基于单片机的智能台灯设计[J].软件，2019（11）：76-77.

    [3]徐安安，任乘乘，吴珊珊.基于STC系列单片机对智能LED台灯调光系统设计[J].照明工程学报，2016（6）：89-90.

    [4]张启龙，陈湘萍.基于STM32的智能互联台灯设计[J].智能计算机与应用，2019（5）：152-153.

    [5]魏炽旭，林泉康.基于51单片机的智能台灯设计[J].电子制作，2017（11）：40-41.

    作者简介：李宝文（1998— ），男，汉族，江西上饶人，中兴通讯信息学院2018级本科在读，研究方向：通信工程;李灵（1987— ），女，汉族，江西新余人，硕士，中兴通讯信息学院，教师，研究方向：通信工程;黄锦稻（1998— ），男，汉族，江西吉安人，中兴通讯信息学院2018级本科在读，研究方向：通信工程;裴意军（2000— ），男，汉族，江西崇仁县人，中兴通讯信息学院2018级本科在读，研究方向：通信工程;程全义（1998— ），男，汉族，江西余干县人，中兴通讯信息学院2018级本科在读，研究方向：通信工程;邱雄科（1999— ），男，汉族，江西永丰县人，中兴通讯信息学院2018级本科在读，研究方向：通信工程。