多頻采光智能矯姿護(hù)眼照明設(shè)備設(shè)計(jì)*

唐艷鳳，林俊強(qiáng)，馬振豐，鄭煥坡，尤海正

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院， 廣州 511325）

0 引言

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(lái)越高，人們對(duì)家居物品的人性化、智能化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高[1]，智能臺(tái)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(zhǎng)，其間會(huì)存在駝背、低頭、坐姿不正、眼睛距離桌面和紙張?jiān)絹?lái)越近等問(wèn)題，眼睛使用頻率高，容易造成眼疲勞。長(zhǎng)此以往，用戶會(huì)出現(xiàn)駝背、脊柱不正、頸椎病等疾病[2]。于是，智能臺(tái)燈的發(fā)展也越來(lái)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?chē)h(huán)境亮度后通過(guò)主控計(jì)算得出最佳的光線方案，最后對(duì)LED 燈組亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而對(duì)使用者達(dá)到護(hù)眼抗疲勞效果。該設(shè)備通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶的坐姿，當(dāng)用戶坐姿與標(biāo)準(zhǔn)坐姿偏差超過(guò)閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行語(yǔ)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(kāi)臺(tái)燈過(guò)久則會(huì)自動(dòng)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(yǔ)音模塊及電源模塊組成；軟件部分由ESP32對(duì)各外圍模塊的驅(qū)動(dòng)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(cè)算法組成。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)紅外人體檢測(cè)、多頻采集光線強(qiáng)度、智能調(diào)光、坐姿識(shí)別及語(yǔ)音提醒。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

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WiFi SoC，其除了含有CPU 外，還集成了2.4 GHz WiFi、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(guò)SPI / SDIO或I2C / UART接口控制外圍電路，通過(guò)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(duì)外進(jìn)行采光和測(cè)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(duì)坐姿的判別結(jié)果并進(jìn)行語(yǔ)音提醒。ESP32 最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 ESP32最小系統(tǒng)

2.2 Jetson Nano

Jetson Nano 開(kāi)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(guò)其實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、對(duì)象檢測(cè)和定位、姿勢(shì)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(shí)別庫(kù)，通過(guò)檢測(cè)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(lèi)器+圖像金字塔+滑動(dòng)窗口的人臉檢測(cè)方法進(jìn)行坐姿識(shí)別，分析產(chǎn)生的結(jié)果通過(guò)GPIO 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號(hào)發(fā)送給ESP32 單片機(jī)，最終由ESP32 進(jìn)行對(duì)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(guò)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。

圖3 采光電路

2.4 照明模塊

照明設(shè)備調(diào)光可通過(guò)PWM脈沖寬制進(jìn)行調(diào)節(jié)或直接對(duì)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(huì)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(jué)不出來(lái)，但長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)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(duì)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(dòng)能力較差，因此需對(duì)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(dòng)能力不足的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，該方式輸入功率平穩(wěn)，通過(guò)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。

圖4 光源功率放大電路

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(lèi)似于點(diǎn)陣屏的OLED顯示屏。OLED顯示屏具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、自發(fā)光不需背光源、能耗低、對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)下燈的亮度等級(jí)、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。

圖5 OLED屏顯示電路

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(guó)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(lèi)自動(dòng)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(tái)燈會(huì)正常工作。當(dāng)人離開(kāi)臺(tái)燈感應(yīng)區(qū)域，在一段時(shí)間后會(huì)進(jìn)行提醒并關(guān)燈，若長(zhǎng)時(shí)間未關(guān)燈，設(shè)備會(huì)自動(dòng)關(guān)燈來(lái)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。

圖6 人體感應(yīng)電路

2.7 語(yǔ)音播放模塊

DY-SV17F 語(yǔ)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(guò)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(chǔ)音頻文件并驅(qū)動(dòng)喇叭對(duì)用戶進(jìn)行矯姿提醒。

圖7 語(yǔ)音播放電路

2.8 電源模塊

2.8.1 18650鋰電池

18650 鋰電池為產(chǎn)品提供后備電源，在斷開(kāi)外部供電的情況下，由鋰電池進(jìn)行供電，為設(shè)備實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航。

2.8.2 不間斷電源模塊

該模塊有充電升壓放電集一體的功能，由Microusb 進(jìn)行電壓輸入，升壓后對(duì)本設(shè)備進(jìn)行供電，并且對(duì)18650鋰電池進(jìn)行充電操作。電源模塊電路如圖8所示。

其二，縱向研究。 即梳理晉學(xué)的學(xué)術(shù)思想理路，由荀子、韓非、王通、柳宗元等人，一路向下，到宋之孫復(fù)、司馬光，金元之際之元好問(wèn)、郝經(jīng)等人，明之薛瑄、孔天胤等人，清之傅山、閻若璩、范鄗鼎、徐繼畬等人，一路下行的學(xué)術(shù)思想之間，或者說(shuō)河汾學(xué)派與河?xùn)|學(xué)派、婁山學(xué)派之間，是否有著直接或間接的關(guān)聯(lián)。 而在這一脈相承的學(xué)術(shù)理路之間，外籍名宦、寓賢起過(guò)怎樣的作用，這些名宦、寓賢的學(xué)術(shù)所本又在哪里，與晉學(xué)的關(guān)系如何，等等。 當(dāng)然，“寓賢”研究的范圍，還可由游晉的中國(guó)學(xué)者，擴(kuò)大到如李提摩太這樣的外國(guó)學(xué)者。

圖8 電源模塊電路

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(tái)燈有智能和手動(dòng)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(dòng)工作模式，人工控制臺(tái)燈的亮度及開(kāi)關(guān)。智能調(diào)光模式下，系統(tǒng)對(duì)外界光線強(qiáng)度進(jìn)行采集后對(duì)燈組進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，攝像頭檢測(cè)到用戶坐姿長(zhǎng)時(shí)間不端正，會(huì)對(duì)用戶進(jìn)行語(yǔ)音提醒，臺(tái)燈配置的人體紅外感應(yīng)模塊長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有檢測(cè)到人，會(huì)自動(dòng)關(guān)燈，實(shí)現(xiàn)能源節(jié)約。系統(tǒng)總體流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)工作流程

3.2 多頻采光

設(shè)備啟動(dòng)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(duì)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(hào)，再將其數(shù)字信號(hào)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(guò)Arduino ide 進(jìn)行開(kāi)發(fā)編程，通過(guò)此方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，有著諸多好處，如：程序編譯難度不高，代碼維護(hù)簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行內(nèi)存占用率低，外設(shè)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)封裝庫(kù)齊全等。圖10 所示為Arduino ide 開(kāi)發(fā)環(huán)境下，ESP32 發(fā)送采光命令和接受數(shù)字信息的過(guò)程。

圖10 采光工作流程

3.3 智能調(diào)光

辦公學(xué)習(xí)離不開(kāi)光源，光源的類(lèi)型也有很多，不同的場(chǎng)合有不同的光線需求，3000 K 的色溫顯得周?chē)h(huán)境比較溫馨，使人比較昏昏易睡；4500 K 的色溫周?chē)h(huán)境比較溫和，適合大多數(shù)的場(chǎng)合使用；6500 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。

PID控制器自出現(xiàn)以來(lái)，憑借其原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、操作性好等優(yōu)點(diǎn)迅速成為工業(yè)控制的主要技術(shù)[11]。因此當(dāng)外界光線發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)采用PID 算法對(duì)燈組電壓進(jìn)行一個(gè)負(fù)反饋調(diào)節(jié)。首先用設(shè)定值（桌面上確定的光照強(qiáng)度）減去反饋值（通過(guò)光敏模塊采集到的數(shù)字量）得出偏差值error；再把在對(duì)多次測(cè)量的誤差進(jìn)行積分得出intergral；接著求出誤差值減去上一次偏差值的微分derivative；最后通過(guò)公式得出補(bǔ)償值：

通過(guò)以上方法使用戶的工作亮度環(huán)境盡可能保持在一個(gè)穩(wěn)定的值。調(diào)光工作流程如圖11所示。

圖11 調(diào)光工作流程

3.4 姿態(tài)識(shí)別

針對(duì)不同的人群，需要在使用前進(jìn)行校準(zhǔn)程序。臺(tái)燈剛打開(kāi)進(jìn)行初始化時(shí)會(huì)通過(guò)語(yǔ)音提示用戶端正坐姿并保持一定時(shí)間，云臺(tái)進(jìn)行掃描，迅速定位用戶臉部所在位置并劃分出坐姿分區(qū)，此時(shí)語(yǔ)音提示用戶校準(zhǔn)完成。

設(shè)備在使用過(guò)程中，云臺(tái)根據(jù)用戶臉部所在位置會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)水平位置，并實(shí)時(shí)分析用戶姿態(tài)，當(dāng)用戶臉部進(jìn)入到不良坐姿分區(qū)時(shí)，將與主控ESP32 進(jìn)行串口通信，并發(fā)出語(yǔ)音提醒，還會(huì)根據(jù)用戶使用臺(tái)燈的當(dāng)前時(shí)間和單次使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比分析。例如：在深夜使用臺(tái)燈、用戶坐在臺(tái)燈前超過(guò)一定時(shí)長(zhǎng)會(huì)提醒用戶注意休息。糾姿工作流程如圖12所示。

圖12 糾姿工作流程

4 系統(tǒng)測(cè)試

（1）模塊功能測(cè)試：接通電源，當(dāng)臺(tái)燈檢測(cè)到用戶后，系統(tǒng)初始化，OLED 屏正常啟動(dòng)，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(kāi)始計(jì)時(shí)已使用時(shí)長(zhǎng)及18650鋰電池剩余電量。語(yǔ)音模塊播放提醒用戶端正坐姿的語(yǔ)音。當(dāng)臺(tái)燈檢測(cè)到用戶長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)，會(huì)自動(dòng)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(cè)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(cè)與提醒功能測(cè)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(yǔ)音提醒用戶調(diào)整到正確坐姿，之后便進(jìn)入監(jiān)測(cè)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(huì)視為用戶是放松狀態(tài)；當(dāng)用戶長(zhǎng)時(shí)間坐姿不正確，播放語(yǔ)音正常，提醒用戶矯正坐姿。設(shè)備原型及調(diào)試場(chǎng)景如圖13所示。

圖13 設(shè)備原型及調(diào)試場(chǎng)景

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)智能照明的應(yīng)用需求開(kāi)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(guò)多種可調(diào)頻率采集外界光線環(huán)境后通過(guò)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(guò)Jetson Nano 板載攝像頭實(shí)時(shí)檢測(cè)用戶坐姿，并在檢測(cè)到不良坐姿時(shí)通過(guò)語(yǔ)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(shí)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。