基于人體健康監(jiān)測的智能書桌設(shè)計研究

汪金龍，姚召輝

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

在教學(xué)進(jìn)行中，學(xué)生空間位置的不同，師生互動的程度不同，與教師溝通效果存在差異，間接影響教學(xué)效果?；诖?，需要提出一種方法實現(xiàn)對空間位置缺陷與不足的彌補[1]。本研究通過結(jié)構(gòu)設(shè)計可以自由調(diào)節(jié)、與電子設(shè)備相結(jié)合的智能書桌，消除前后排距離所帶來的學(xué)習(xí)效果差異問題。

1 智能書桌的設(shè)計背景與需求分析

1.1 設(shè)計背景

我國各級學(xué)校長期以來由于班級人數(shù)、教室大小、教師教學(xué)理念等因素的限制，大多教室里的課桌椅仍呈現(xiàn)“秧田式”的排列方式。坐在教室前排和中間的學(xué)生，上課時聽、看得都比較清楚，與教師的交流也更多；而坐在教室兩邊和后排的學(xué)生，則比較容易產(chǎn)生紀(jì)律問題。實際上，學(xué)生空間位置的分布不同，直接導(dǎo)致了學(xué)生與教師溝通效果的不同，間接地影響了教學(xué)效果。基于這樣的情況，應(yīng)當(dāng)設(shè)計一種智能書桌，保證其在實際使用過程中可以進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，并與電子設(shè)備相結(jié)合共同消除教室內(nèi)學(xué)生空間位置的前后排距離問題[2，3]。

1.2 設(shè)計需求

本研究中提出的基于人體健康監(jiān)測的智能書桌是一種新型智能課桌。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，真正實現(xiàn)了教與學(xué)的相結(jié)合。該智能書桌的特點主要集中在幾方面：采用嵌入式將抗疲勞電子屏幕與課桌相結(jié)合；通過以滑蓋式的方式推開桌面，將電子屏幕顯現(xiàn)出來；同時，“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去，從而在一定程度上既減小了對空間的占用又使得屏幕的盡可能擴(kuò)大；在電子屏幕下方添加可伸縮裝置，以此來調(diào)節(jié)電子屏幕的角度。因為控制屏幕調(diào)整的結(jié)構(gòu)架構(gòu)為半弧結(jié)構(gòu)，所以可以在半圓范圍內(nèi)將電子屏幕的角度進(jìn)行最大限度調(diào)整。

另外，該智能書桌可與教師的多媒體教學(xué)相結(jié)合，消除前后排差距，課堂上，實現(xiàn)邊聽變練，在學(xué)習(xí)理論知識的同時培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力。本智能書桌還可以通過個人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)因而也可以對眼睛進(jìn)行一定的保護(hù)。

2 設(shè)計的創(chuàng)新性

2.1 產(chǎn)品新穎性

本書桌產(chǎn)品是一種新型智能課桌，首次在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將多媒體與課桌相結(jié)合，真正實現(xiàn)了教與學(xué)的相結(jié)合；將基于滑蓋式的方式推開桌面；將電子屏幕顯現(xiàn)出來；并且“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去，由此增加了空間利用率。

2.2 傳承與現(xiàn)代化的相結(jié)合

目前所見課桌均為傳統(tǒng)式并存在部分缺陷，隨著時代的進(jìn)步，在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中理論知識與實踐能力的欠缺以及日益增長的近視頸椎問題明顯突出，而本智能新型課桌能夠應(yīng)對當(dāng)前時代需求，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，致力于知識與能力相結(jié)合。

2.3 易于實現(xiàn)

該智能書桌的設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，可以在課桌原有的基礎(chǔ)上，對電子設(shè)備和課桌進(jìn)行結(jié)合，比較易于實現(xiàn)。

2.4 智能化管理、省事省力

通過對課桌中的機(jī)器設(shè)置專門的管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)老師對全部機(jī)器的管理，實現(xiàn)了智能化管理，并且更加易于操作，省時省力；有較好的創(chuàng)造性，實用性較強。

2.5 適應(yīng)于當(dāng)下，順應(yīng)社會潮流

目前對課桌的要求的課桌椅越來越高，需要可調(diào)節(jié)高度、更加智能等多種要求，能夠解決現(xiàn)有中、小學(xué)生課桌椅不能調(diào)節(jié)問題，適用于各個年齡層次、各種體形的學(xué)生使用，并且解決教室前后排距離問題，本智能書桌在功能上適應(yīng)當(dāng)下要求。

3 智能書桌總體設(shè)計

3.1 總體設(shè)計思路

通過電子設(shè)備和傳統(tǒng)老式桌相結(jié)合，利用機(jī)械原理，對桌子進(jìn)行變動，使其多元化。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，與教師的多媒體教學(xué)相結(jié)合，消除前后排差距，課堂上，實現(xiàn)邊聽變練，在學(xué)習(xí)理論知識的同時培養(yǎng)學(xué)生實踐操作能力，真正實現(xiàn)教與學(xué)的相結(jié)合；可以通過個人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)，以此達(dá)到保護(hù)使用者視力的效果。

3.2 設(shè)計技術(shù)線路

通過嵌入式將抗疲勞電子屏幕與書桌相結(jié)合；用滑蓋式的方式推開桌面，“滑”開的桌面可通過兩邊的軸來翻折下去；在電子屏幕下方添加可伸縮裝置，調(diào)節(jié)電子屏幕的角度，采用半圓形式對電子屏幕的角度進(jìn)行調(diào)整；書桌可與總多媒體設(shè)備端相結(jié)合，通過個人看屏幕的習(xí)慣進(jìn)行對角度或著將桌面進(jìn)行前后的調(diào)整，屏幕采用特殊抗疲勞的材質(zhì)可以對眼睛進(jìn)行一定的保護(hù)。

4 基于人體健康監(jiān)測的智能書桌設(shè)計與實現(xiàn)方案

4.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能書桌為未拆開時正常使用的桌面，在未拆開時與正常課桌無二。當(dāng)智能書桌上部桌面拉開時，拉開的桌面可通過轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)下去，此設(shè)計大大增加空間利用率。智能書桌打開后，即可顯現(xiàn)出基于特殊抗疲勞材質(zhì)的屏幕，同時桌面翻至下方并與桌腿重疊。智能書桌的屏幕高度、桌面高度可以進(jìn)行調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同使用者需求，且屏幕可以完成旋轉(zhuǎn)，方便進(jìn)行信息分享。該課桌整體結(jié)構(gòu)及對應(yīng)方案如圖1～圖3。同時，在光照控制單元的支持下，該智能書桌可以實現(xiàn)結(jié)合外部環(huán)境光照現(xiàn)實情況下自動進(jìn)行光照調(diào)節(jié)，促使其由亮轉(zhuǎn)暗或者是由暗轉(zhuǎn)亮，避免使用者眼睛受到更多刺激與傷害[1]。在桌面顯示系統(tǒng)的支持下，各個智能書桌之間、智能書桌與媒體設(shè)備之間的屏幕共享成為現(xiàn)實，且可以多種運行數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，方便使用者隨時查看。

圖1 桌面未打開圖

圖2 桌面打開折疊圖

圖3 桌面打開折疊調(diào)高角度

4.2 功能單元設(shè)計

4.2.1 桌面升降系統(tǒng)

該智能書桌可以結(jié)合使用者需求完成對桌面與屏幕高度的精準(zhǔn)調(diào)整，本研究出于對降低成本及提升高度控制精度的考量，選擇市場中現(xiàn)有的某品牌優(yōu)質(zhì)升降桌，依托2 次改造并連接主控芯片完成上述目標(biāo)。使用者只需要按下對應(yīng)功能鍵即可控制該智能書桌桌面與屏幕的上下調(diào)整。本智能書桌設(shè)置的桌面升降系統(tǒng)的運行動力來源于步進(jìn)電機(jī)。目前，小型升降系統(tǒng)的功能發(fā)揮常用步進(jìn)滑臺、步進(jìn)電動推桿實現(xiàn)，相比較來說，步進(jìn)電動推桿在運動平穩(wěn)性、低噪音、定位精度、升降速度等方面均保持在更高水平，且可以實現(xiàn)高強度運行[2]。步進(jìn)電動推桿的運行原理主要如下：步進(jìn)電機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動后，依托步進(jìn)電動推桿的作用，可以轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并聯(lián)合步進(jìn)電機(jī)共同完成高精度、快速的桌面與屏幕升降動作。

4.2.2 光照控制單元

該智能書桌能夠在環(huán)境光照條件不充足的情況下自動進(jìn)行光照調(diào)節(jié)，配合抗疲勞屏幕的應(yīng)用，實現(xiàn)對使用者視力的更好保護(hù)，避免使用者眼睛受到更多刺激與傷害。實踐中，主要依托脈寬調(diào)制法完成對LED 燈的控制，促使其由亮轉(zhuǎn)暗或者是由暗轉(zhuǎn)亮。對于脈寬調(diào)制調(diào)光信號來說，其屬于數(shù)字信號，使用1標(biāo)注導(dǎo)通條件下的直流供電值（高電平狀態(tài)），并應(yīng)用0 標(biāo)注斷開條件下的直流供電值（低電平狀態(tài)），則單個周期內(nèi)通道的持續(xù)時間為二分之一、占空比保持在50%[3]。在光照傳感器的支持下，主控模塊實現(xiàn)對光強信息的處理，并在判斷當(dāng)前光強不滿足高于50Lx 時促使燈光轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)；利用脈寬調(diào)制波，完成對燈光照明系統(tǒng)的自動化控制，保證為使用者實時提供最為理想的光照亮度。

亮度調(diào)節(jié)過程的主要步驟：對光照傳感器進(jìn)行初始化處理；讀取所有光強數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；判斷當(dāng)前光強是否滿足高于50Lx 的條件，如判斷滿足，則脈寬調(diào)制輸出為0，并返回讀取與處理所有光強數(shù)據(jù)的操作步驟；如判斷不滿足，則脈寬調(diào)制自動完成調(diào)光，同時并返回讀取與處理所有光強數(shù)據(jù)的操作步驟，循環(huán)運行。

4.2.3 桌面顯示系統(tǒng)

在單片機(jī)的支持下，該智能書桌的桌面現(xiàn)實系統(tǒng)會將輸入模塊提取到的信息展開初步處理，并為后續(xù)在人機(jī)交互界面（屏幕）上的直觀顯示提供更好條件，整個顯示屏不需要背光，顯示單元可以自行發(fā)出光亮，并保證可視角度維持在160°的水平。該桌面顯示系統(tǒng)依托無線通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)直接連接多媒體設(shè)備，此時，在主設(shè)備端能夠隨時完成對區(qū)域內(nèi)所有智能書桌屏幕狀態(tài)、連接狀態(tài)的查看，并促使屏幕信息共享成為現(xiàn)實。在教室，教師使用多媒體設(shè)備即可將課件信息直接共享至所有智能書桌的桌面顯示系統(tǒng)中，促使所有學(xué)生更為直觀了解教師講解的內(nèi)容與操作事項；在該媒體設(shè)備的支持下，教師同樣可以將某名學(xué)生的桌面屏幕信息共享至區(qū)域內(nèi)所有智能書桌的桌面顯示系統(tǒng)中，方便學(xué)生展開共同探討。

同時，在桌面顯示系統(tǒng)中，還能夠?qū)χ悄軙赖亩喾N運行數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，包括傾角數(shù)據(jù)、光照條件、與多媒體設(shè)備的連接狀態(tài)、智能書桌的桌面狀態(tài)等等，方便使用者隨時查看。整個桌面顯示過程中的主要流程步驟：對顯示屏進(jìn)行初始化處理；發(fā)出開機(jī)提示信息；進(jìn)行使用者所需數(shù)據(jù)信息的顯示；判斷設(shè)備是否保持為在線狀態(tài)，如判斷在線，則直接完成數(shù)據(jù)的更新處理，并返回顯示使用者所需數(shù)據(jù)信息的操作步驟；如判斷不在線，則直接跳轉(zhuǎn)至退出狀態(tài)。

4.2.4 紅外人體感應(yīng)模塊

個體在進(jìn)行學(xué)習(xí)與工作的過程中，注意力集中時間普遍維持在1 h 以內(nèi)，而對于未成年來說，注意力集中時間長度更短，一般會在20～30 min 內(nèi)實現(xiàn)注意力的高度集中。在一段時間的注意力集中學(xué)習(xí)與工作后，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)放松，才能夠促使個體的精神得到有效調(diào)節(jié)，保證后續(xù)學(xué)習(xí)與工作成效。基于這樣的情況，在本次基于人體健康監(jiān)測的智能書桌的設(shè)計過程中，主要設(shè)定紅外人體感應(yīng)模塊，對個體的學(xué)習(xí)與工作時間進(jìn)行監(jiān)測，一旦超出時間閾值則迅速發(fā)出聲光提示，提醒個體進(jìn)行放松，維護(hù)個體身體健康的同時，保證學(xué)習(xí)與工作效率。

本設(shè)計要設(shè)定40 min 為時間閾值，并利用紅外與計時器相結(jié)合的方式完成上述操作目標(biāo)。實踐中，主要選定E18-D80NK 紅外傳感器監(jiān)測個體（書桌使用者）的學(xué)習(xí)與工作時間。在紅外傳感器檢測到該書桌存在使用者后，自動進(jìn)行后臺計時，在計時的時長達(dá)到40 min 后，自動發(fā)出聲光提醒。這樣的計時方式能夠避工作與學(xué)習(xí)期間使用者短暫離開書桌但是計時器依舊運作的問題，保證實現(xiàn)40 min 的有效工作與學(xué)習(xí)時間計時，強化該書桌的智能性，實現(xiàn)對人體健康的更好保護(hù)。

4.2.5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

依托現(xiàn)有開發(fā)平臺代碼實施二次開發(fā)，并在操作系統(tǒng)的支持下完成對應(yīng)用任務(wù)的實時管理，實現(xiàn)桌面與屏幕升降、自適應(yīng)光照、數(shù)據(jù)上傳等功能。實踐中，在完成各個功能模塊的實際功能內(nèi)容分析的基礎(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)框架，并參考實際測試所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)定閾值。例如，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，在強光下降至50Lx 后提供光照更為合適，因此，將該數(shù)據(jù)設(shè)定為光照系統(tǒng)轉(zhuǎn)入開啟狀態(tài)的光照強度閾值。任務(wù)管理程序：對系統(tǒng)時鐘展開初始化處理；讀取賬號，判斷密碼是否成功，如不成功則要求在上位機(jī)輸入賬號密碼，轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)連接；如判斷成功直接跳轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)連接；輸入設(shè)備初始化，判斷初始化是否成功，如不成功則發(fā)出警報并直接返回對系統(tǒng)時鐘展開初始化處理步驟，如成功則發(fā)出開機(jī)提示；監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)，逐步判斷各單元在線狀態(tài)，若在線則讀取數(shù)據(jù)、處理濾波、輸出設(shè)備并自動控制、顯示并上傳數(shù)據(jù)；如不在線則返回對系統(tǒng)時鐘展開初始化處理的步驟，并組織上述操作步驟的自動化、重復(fù)性展開。

4.2.6 性能優(yōu)化方向

智能課桌的設(shè)計目標(biāo)主要在于方便使用人員按自身需求完成高度調(diào)節(jié)，并配置智能屏幕消除空間位置的差異性，同時保證光照、光強始終保持在合理閾值下。相比于傳統(tǒng)課桌，該課桌的智能化程度更為明顯，且滿足人體健康監(jiān)測需要。但是，該課桌也有進(jìn)一步優(yōu)化的空間，筆者認(rèn)為，在后續(xù)的智能課桌設(shè)計可以在其中加設(shè)數(shù)字溫、濕度傳感器，實時監(jiān)測環(huán)境溫、濕度情況，并在溫濕度過高或是過低的條件下，向使用者自動發(fā)出郵件警報與聲光警報，提示使用者現(xiàn)存環(huán)境不適合繼續(xù)學(xué)習(xí)或正常工作，持續(xù)強調(diào)智能課桌的智慧性。

5 結(jié)論

在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將多媒體與課桌相結(jié)合；基于滑蓋式的方式推開桌面并顯示電子屏幕，并控制滑開的桌面通過兩邊軸結(jié)構(gòu)完成向下翻折，增加空間利用率；通過對課桌中的機(jī)器設(shè)置專門的管理軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)老師對全部機(jī)器的管理。在后續(xù)設(shè)計中，可以進(jìn)一步加設(shè)數(shù)字溫濕度傳感器、紅外人體感應(yīng)單元等功能模塊，促使書桌產(chǎn)品的智能程度大幅提升，發(fā)揮出對人體健康更為全面的監(jiān)測作用。