隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(shè)計(jì)要求越來越高[1]，智能臺燈屬于智能居家大架構(gòu)成員，傳統(tǒng)的單一亮滅的照明方式逐漸被智能照明設(shè)備所替代。當(dāng)前，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)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?jiān)絹碓浇�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(xiàn)駝背、脊柱不正、頸椎病等疾病[2]。于是，智能臺燈的發(fā)展也越來越受迫切[3]。

　　本文設(shè)計(jì)的多頻采光智能矯姿護(hù)眼照明設(shè)備，采用光感器件采集當(dāng)前周圍環(huán)境亮度后通過主控計(jì)算得出最佳的光線方案，最后對LED燈組亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對使用者達(dá)到護(hù)眼抗疲勞效果。該設(shè)備通過攝像頭實(shí)時(shí)檢測用戶的坐姿，當(dāng)用戶坐姿與標(biāo)準(zhǔn)坐姿偏差超過閾值時(shí)，系統(tǒng)會進(jìn)行語音播報(bào)提醒用戶端正坐姿。同時(shí)，該設(shè)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(dá)到節(jié)約能源的效果。

　　1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及總體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件兩部分。硬件部分由ESP32、Jetson Nano、LED護(hù)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(qū)動程序、多頻采光程序、PID智能調(diào)光算法和Jetson Nano的人體坐姿檢測算法組成。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)紅外人體檢測、多頻采集光線強(qiáng)度、智能調(diào)光、坐姿識別及語音提醒。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 ESP32

　　該芯片是一款高集成度、高性價(jià)比、功耗超低、主打安全的單核Wi Fi So C，其除了含有CPU外，還集成了2.4 GHz Wi Fi、藍(lán)牙模塊、豐富的I/O口[4]。ESP32在本項(xiàng)目產(chǎn)品中擔(dān)任系統(tǒng)主控的工作，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口控制外圍電路，通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，多線程與外圍模塊進(jìn)行通信。ESP32可選擇多種頻率對外進(jìn)行采光和測溫，以及處理數(shù)字信息并計(jì)算出當(dāng)前最佳的調(diào)光方案。ESP32接收J(rèn)etson Nano對坐姿的判別結(jié)果并進(jìn)行語音提醒。ESP32最小系統(tǒng)如圖2所示。

　　2.2 Jetson Nano

　　Jetson Nano開發(fā)板裝載4核Cortex-A57CPU,GPU選用規(guī)模最小的Maxwell架構(gòu)顯卡，有128個(gè)CUDA單元，配備了4 GB LPDDR4內(nèi)存[5]。因此可通過其實(shí)現(xiàn)圖像識別、對象檢測和定位、姿勢估計(jì)、智能分析等強(qiáng)大功能。

　　在本項(xiàng)目中，Jetson Nano搭載Dlib人臉識別庫，通過檢測68個(gè)人臉特征點(diǎn)進(jìn)行姿態(tài)分析。采用經(jīng)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(jìn)行坐姿識別，分析產(chǎn)生的結(jié)果通過GPIO轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號發(fā)送給ESP32單片機(jī)，最終由ESP32進(jìn)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(shù)據(jù)獲取模塊，有4個(gè)模擬輸入端口、1個(gè)模擬輸出端口和1個(gè)串行I2C總線接口[6]。本設(shè)計(jì)通過ESP32與該芯片進(jìn)行IIC通信，配合光敏電阻搭建的外圍電路能夠?qū)崿F(xiàn)以多種頻率精確地采集外界光線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，再將其數(shù)字信息交由ESP32進(jìn)行下一步的智能調(diào)光操作。采光電路如圖3所示。

　　2.4 照明模塊

　　照明設(shè)備調(diào)光可通過PWM脈沖寬制進(jìn)行調(diào)節(jié)或直接對燈源功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。短時(shí)間內(nèi)使用采用傳統(tǒng)PWM調(diào)光的照明設(shè)別用戶不會出現(xiàn)明顯不適，因?yàn)闊粼吹拈W爍頻率比較高以至于人眼感覺不出來，但長時(shí)間使用會使用戶產(chǎn)生眼睛疲勞。該設(shè)備利用主控ESP32的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能對燈組輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，但ESP32的I/O口最大輸出電流較低，驅(qū)動能力較差，因此需對其進(jìn)行功率放大的電路設(shè)計(jì)，從根本上解決了光源處頻閃和驅(qū)動能力不足的問題。經(jīng)過優(yōu)化后，該方式輸入功率平穩(wěn)，通過智能調(diào)節(jié)可獲得滿足工作學(xué)習(xí)需求的舒適的光線環(huán)境。同時(shí)，冷暖光燈珠隔行排布，使兩種光源能更自然地混合，以達(dá)到護(hù)眼、抗疲勞的照明效果。光源功率放大電路如圖4所示。

　　2.5 顯示模塊

　　為了讓用戶直觀地看到當(dāng)前的環(huán)境溫濕度，選用類似于點(diǎn)陣屏的OLED顯示屏。OLED顯示屏具有構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、能耗低、對比度高、厚度薄、抗振蕩、視角廣、反應(yīng)速度快、使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，顯示穩(wěn)定且效果好[7]。在本項(xiàng)目產(chǎn)品中作為人機(jī)交互界面，可顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度、亮度、手動調(diào)節(jié)下燈的亮度等級、當(dāng)前時(shí)間、設(shè)備工作狀態(tài)等。OLED屏顯示電路如圖5所示。

　　2.6 人體紅外感應(yīng)模塊

　　HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，該模塊采用德國原裝進(jìn)口的LH 1778探頭，敏銳性高、操縱性強(qiáng)[8]。廣泛應(yīng)用于各類自動感應(yīng)電器設(shè)備，其應(yīng)用與本產(chǎn)品低功耗、節(jié)能環(huán)保的設(shè)計(jì)理念相符，因此本項(xiàng)目采用該人體紅外感應(yīng)模塊，當(dāng)人在使用范圍時(shí)，臺燈會正常工作。當(dāng)人離開臺燈感應(yīng)區(qū)域，在一段時(shí)間后會進(jìn)行提醒并關(guān)燈，若長時(shí)間未關(guān)燈，設(shè)備會自動關(guān)燈來防止電量的浪費(fèi)，以達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。人體感應(yīng)電路如圖6所示。

　　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(fā)、串口觸發(fā)與ONE-line單總線觸發(fā)3種模式，可通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦更改音頻文件[9]。設(shè)計(jì)中采用該模塊存儲音頻文件并驅(qū)動喇叭對用戶進(jìn)行矯姿提醒。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)總體流程

　　本文設(shè)計(jì)的臺燈有智能和手動兩種模式。系統(tǒng)初始化后默認(rèn)進(jìn)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(guān)。智能調(diào)光模式下，系統(tǒng)對外界光線強(qiáng)度進(jìn)行采集后對燈組進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，攝像頭檢測到用戶坐姿長時(shí)間不端正，會對用戶進(jìn)行語音提醒，臺燈配置的人體紅外感應(yīng)模塊長時(shí)間沒有檢測到人，會自動關(guān)燈，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。系統(tǒng)總體流程如圖9所示。

　　3.2 多頻采光

　　設(shè)備啟動后，ESP32與PCF8591進(jìn)行IIC通信，ESP32設(shè)備以默認(rèn)頻率向PCF8591發(fā)送采光指令，PCF8591接收到ESP32發(fā)出采光指令后對采光電路進(jìn)行電壓模擬量采集并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將其數(shù)字信號發(fā)送回ESP32，等待ESP32進(jìn)行下一步處理操作。設(shè)備預(yù)設(shè)默認(rèn)采光頻率，用戶也可根據(jù)自身工作環(huán)境需要重新設(shè)置采光頻率。越高的采光頻率意味著設(shè)備的采光性能愈靈敏，而越低的頻率能達(dá)到愈佳的低功耗效果。

　　其主控通過Arduino ide進(jìn)行開發(fā)編程，通過此方式進(jìn)行開發(fā)，有著諸多好處，如：程序編譯難度不高，代碼維護(hù)簡單方便，運(yùn)行內(nèi)存占用率低，外設(shè)驅(qū)動開發(fā)封裝庫齊全等。圖10所示為Arduino ide開發(fā)環(huán)境下，ESP32發(fā)送采光命令和接受數(shù)字信息的過程。

　　3.3 智能調(diào)光

　　辦公學(xué)習(xí)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，3 000 K的色溫顯得周圍環(huán)境比較溫馨，使人比較昏昏易睡;4 500 K的色溫周圍環(huán)境比較溫和，適合大多數(shù)的場合使用;6 500 K高色溫環(huán)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(qiáng)既可以提高工作的效率也能保護(hù)眼睛。

　　4 系統(tǒng)測試

　　(1)模塊功能測試：接通電源，當(dāng)臺燈檢測到用戶后，系統(tǒng)初始化，OLED屏正常啟動，能顯示當(dāng)前環(huán)境亮度比例，燈組亮度比例，當(dāng)前環(huán)境溫度，開始計(jì)時(shí)已使用時(shí)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(dāng)臺燈檢測到用戶長時(shí)間離開，會自動進(jìn)入休眠模式，關(guān)閉燈組，暫停各模塊的工作。

　　(2)燈組燈光智能調(diào)節(jié)測試：燈組正常發(fā)光，當(dāng)外界光線變化，燈組能做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

　　(3)坐姿檢測與提醒功能測試：系統(tǒng)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(diào)整到正確坐姿，之后便進(jìn)入監(jiān)測模式。當(dāng)用戶短時(shí)間內(nèi)坐姿與標(biāo)準(zhǔn)坐姿有偏差，系統(tǒng)會視為用戶是放松狀態(tài);當(dāng)用戶長時(shí)間坐姿不正確，播放語音正常，提醒用戶矯正坐姿。設(shè)備原型及調(diào)試場景如圖13所示。

　　5 結(jié)束語

　　本文針對智能照明的應(yīng)用需求開發(fā)的一款多頻采光智能矯姿護(hù)眼照明設(shè)備。該設(shè)備通過多種可調(diào)頻率采集外界光線環(huán)境后通過PID算法計(jì)算得出當(dāng)前環(huán)境最佳光線的調(diào)節(jié)方案，以達(dá)到護(hù)眼的效果;同時(shí)通過Jetson Nano板載攝像頭實(shí)時(shí)檢測用戶坐姿，并在檢測到不良坐姿時(shí)通過語音做出糾姿的溫馨提醒，最終達(dá)到多頻采光、智能調(diào)光、姿態(tài)矯正的目的，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備智能調(diào)光的算法與姿態(tài)識別的相關(guān)算法，從而提高該多頻采光智能矯姿護(hù)眼照明設(shè)備的精確性與智能性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]陳雪嬌,潘思儒，易威等基于單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計(jì)[J]電子測試2020(4):34-36.

　　[2]楊靜，谷翠梅蘇晨旭基于單片機(jī)的坐姿護(hù)眼系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]河南科技,2020(4):63-65.

　　[3]苗紫民程澤華蘇彥兵基于單片機(jī)的智能臺燈設(shè)計(jì)[J]軟件,2019, 40(11):75-78.

　　《多頻采光智能矯姿護(hù)眼照明設(shè)備設(shè)計(jì)》來源：《機(jī)電工程技術(shù)》，作者：唐艷鳳 林俊強(qiáng) 馬振豐