智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 莉，馬曉鑫，張振鵬，王 偉

(北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

2017-08-08

廊坊市科學(xué)計(jì)劃研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2016011068);北華航天工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(KY-2016-11)

劉 莉(1991- )，女，助教，碩士，從事動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器等方向的研究。

1674- 4578(2017)05- 0023- 03

智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 莉，馬曉鑫，張振鵬，王 偉

(北華航天工業(yè)學(xué)院電子與控制工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

針對(duì)當(dāng)前生活中兒童用眼頻繁，近距離或者長(zhǎng)時(shí)間觀看電視，或者觀看光線不佳等原因造成眼睛疲勞、視力下降等問題，設(shè)計(jì)了一款監(jiān)督兒童正確用眼的智能視力保護(hù)系統(tǒng)。通過熱釋電人體紅外感應(yīng)傳感器智能檢測(cè)兒童到電視的距離，環(huán)境光傳感器檢測(cè)環(huán)境的光線強(qiáng)弱，配合紅外遙控模塊進(jìn)行觀看時(shí)間控制，在一定程度上避免兒童近視和減少用眼疲勞，從而更好地保護(hù)眼睛。

智能；傳感器；視力保護(hù)；兒童

在電子技術(shù)越來越發(fā)達(dá)和高度智能化的現(xiàn)代社會(huì)，電視、平板等電子設(shè)備在大部分家庭中都得到了普及。生活中兒童都喜歡觀看和使用，但是觀看距離過近、觀看環(huán)境光線不佳和長(zhǎng)時(shí)間的觀看對(duì)兒童眼睛，乃至身體的健康都有一定的影響，所以兒童觀看電子顯示器的時(shí)候一定要講究科學(xué)，這也是困擾很多家長(zhǎng)的現(xiàn)實(shí)問題[1,2]。當(dāng)前，用于兒童眼睛的監(jiān)督保護(hù)的裝置比較少，市面上大多數(shù)都是眼保儀，是用眼過后才針對(duì)眼部調(diào)節(jié)按摩控制來預(yù)防近視的，而且大多數(shù)是通過監(jiān)護(hù)人的提醒，往往起不到長(zhǎng)期性的保護(hù)效果[3,4]。對(duì)此，本文提出了一種智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

本系統(tǒng)是基于智能家居的新組件,以保護(hù)兒童眼睛為目的的智能系統(tǒng)。通過熱釋電人體紅外感應(yīng)傳感器智能檢測(cè)兒童到顯示器的距離，環(huán)境光傳感器檢測(cè)環(huán)境的光線強(qiáng)弱，由ST公司的STM32F103C8T6單片機(jī)作為MCU進(jìn)行信息處理，當(dāng)兒童處在近視距離時(shí)，或者視覺光線不佳時(shí)，或者長(zhǎng)時(shí)間觀看時(shí)進(jìn)行智能控制，同時(shí)，配合語音模塊進(jìn)行語音提醒，配合紅外遙控模塊進(jìn)行觀看時(shí)間控制，在一定程度上避免兒童近視和減少用眼疲勞，更好地保護(hù)眼睛，其檢測(cè)技術(shù)低能耗、低成本，操作控制智能化、人性化。本系統(tǒng)還加入了手機(jī)APP控制和顯示功能的設(shè)計(jì)，通過使用Wi-Fi模塊進(jìn)行硬件和手機(jī)APP數(shù)據(jù)傳輸，控制系統(tǒng)的開關(guān)，顯示由系統(tǒng)記錄的電子設(shè)備使用的時(shí)間和次數(shù)和觀看環(huán)境的參數(shù)。具體原理圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由主控器，熱釋電紅外傳感器模塊，環(huán)境光傳感器模塊，語音模塊，紅外遙控模塊，無線Wi-Fi傳輸模塊和電源模塊等組成[5,6]。軟件部分主要由控制硬件系統(tǒng)的移動(dòng)手機(jī)APP組成。

2.1 主控器

主控制器是選用ST公司開發(fā)的STM32C8T6高性能控制器作為MCU，基于ARM Cortex(tm)-M3內(nèi)核的32位閃存微控制器，其微控制器速度為72 MHz，簡(jiǎn)單小巧。

2.2 熱釋電紅外傳感器模塊

熱釋電紅外傳感器主要由高熱電系數(shù)的探測(cè)元件、濾光窗和菲涅爾透鏡三部分組成，本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，利用熱電效應(yīng)原理來完成對(duì)紅外輻射的感應(yīng)，完成阻抗變換。

2.3 環(huán)境光傳感器模塊

環(huán)境光傳感器模塊使用的是BH1750芯片，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，不需要再做復(fù)雜的計(jì)算。這是一種更精良的和容易使用簡(jiǎn)易電阻器的版本，通過計(jì)算電壓,來獲得有效的數(shù)據(jù)。這款環(huán)境光傳感器能夠直接通過光度計(jì)來測(cè)量。

2.4 語音模塊

語音模塊使用ISD4004芯片，ISD4004工作電壓3 V，單片錄放時(shí)間8～16 min,音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。

2.5 移動(dòng)設(shè)備手機(jī)APP

手機(jī)APP主要用于顯示。其是基于APICloud平臺(tái)下的APICloud studio進(jìn)行編程制作的。APICloud是中國(guó)領(lǐng)先的“云端一體”的移動(dòng)應(yīng)用云服務(wù)提供商。本智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)的APP界面如圖2所示。

圖2 APP界面

3 系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)

本智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先啟動(dòng)人體紅外檢測(cè)模塊，掃描近視范圍是否有動(dòng)態(tài)目標(biāo)，將熱量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)反饋到MCU，如果范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，MCU將啟動(dòng)電機(jī)，將人體紅外模塊轉(zhuǎn)動(dòng)起來，使檢測(cè)更準(zhǔn)確目標(biāo)在范圍內(nèi)的動(dòng)靜狀態(tài)并啟動(dòng)定時(shí)器。記錄目標(biāo)的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)目標(biāo)持續(xù)時(shí)間為2 min時(shí)，啟動(dòng)語音模塊，將事先錄好的提醒語音播放，同時(shí)向手機(jī)APP發(fā)送提示信號(hào)，并繼續(xù)檢測(cè)目標(biāo)。如果目標(biāo)離開近視區(qū)域，則MCU將回到初始狀態(tài)，如果目標(biāo)持續(xù)時(shí)間超過15 min，則MCU啟動(dòng)紅外遙控模塊，發(fā)出關(guān)閉顯示器的載波信號(hào)，強(qiáng)制關(guān)閉顯示器，向手機(jī)APP發(fā)送紅色預(yù)警信號(hào)，并由語音模塊告知已近視用眼。具體系統(tǒng)流程框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程框圖

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物

基于上述理論，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下研制本智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)，將熱釋電人體紅外檢測(cè)模塊、語音模塊、紅外遙控模塊和無線傳輸模塊與主控制器相連，主控制器外圍還設(shè)置有環(huán)境光傳感器和電源模塊，主控制器通過無線傳輸模塊與移動(dòng)設(shè)備相連，具體電路控制原理圖如圖4所示，在該原理下設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 電路控制原理圖

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能兒童視力保護(hù)系統(tǒng)，通過熱釋電紅外感應(yīng)傳感器智能檢測(cè)兒童到電視的距離，通過環(huán)境光傳感器檢測(cè)環(huán)境的光線強(qiáng)弱，配合紅外遙控模塊進(jìn)行觀看時(shí)間控制，配合語音模塊進(jìn)行語音提醒，并進(jìn)行了相應(yīng)APP軟件的設(shè)計(jì)。最終，硬件和軟件能夠進(jìn)行完美的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了上述功能，能夠保護(hù)兒童視力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 王敏剛.基于智能電視感知的兒童視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

陳帥華.智能視力保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì).智能機(jī)器人,2016(10):51-54.

王穎,王偉,孫兆東,等.基于坐姿監(jiān)督的智能視力保護(hù)儀設(shè)計(jì).電子世界,2017,5(2):189-190.

徐國(guó)平.智能感控視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì).武漢：華中師范大學(xué),2013.

胡恩賜,許建明,李忠.基于單片機(jī)的視力保護(hù)裝置設(shè)計(jì).電子世界,2016,11(10):15.

張玉鳳,李水蓮.基于51單片機(jī)的紅外視力保護(hù)儀的設(shè)計(jì).電子制作,2015(8):7.

IntelligentDesignofVisionProtectionSystemforChildren

Liu Li, Ma Xiaoxin, Zhang Zhenpeng, Wang Wei

(ElectronicandControlEngineeringSchool,NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,LangfangHebei065000,China)

Aiming at the problems of excessive eyes using in current life for the children, including watching TV with close distance or long time, or watching it with poor light and so on which causes eyestrain and decreased vision, an intelligent design of vision protection system for children is proposed in this paper. The system uses pyroelectric infrared induction sensor to intelligently detect the distance from children to the TV, uses ambient light sensor to detect light intensity of the environment, and at the same time, uses the infrared remote control module to control the watching time. All of above avoid myopia and reduce eye fatigue in some extent so as to protect the eyes better, which has broad application prospect.

intelligent; sensor; vision protection; children

TH786；TP274.52

A