電子屏幕智能防近視系統(tǒng)

王浩 程進(jìn) 張春倩 諶珍雨 孫超

北京信息科技大學(xué)北京市傳感器重點實驗室，北京 100101

0 前言

近年來，隨著手機、平板電腦的普及和因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，很多人在工作和生活中習(xí)慣于長時間使用電腦、手機等電子產(chǎn)品。網(wǎng)上查資料、網(wǎng)上聊天、網(wǎng)上找工作、網(wǎng)上玩游戲等已成為當(dāng)今人們獲取信息及休閑娛樂的重要方式[1]，尤其是2020 年上半年，新冠肺炎疫情造成學(xué)校停課，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和“云端”教學(xué)更是成為了孩子們的日常[2]。長時間近距離觀看電子屏幕成為目前青少年近視率迅速增加的主要原因，同樣，很多上班族也面臨著一樣的處境，他們因為工作原因，需要長時間坐在電子屏幕前，逐漸靠近電子屏幕這一舉動經(jīng)常是無意識的[3]，長時間近距離地觀看屏幕會給眼睛帶來很大的傷害，最直觀的表現(xiàn)就是眼鏡族的增加。

眾所周知，近距離地看電子屏幕對眼睛是有很大傷害的，這是因為電子屏幕發(fā)出的光譜中，藍(lán)光的強度比綠光高出60%，相對的，自然光中藍(lán)光比綠光要低30%[4]。電子產(chǎn)品的屏幕發(fā)出高能短波藍(lán)光，是僅次于紫外線的高能量短波長光源，它能夠穿透眼睛前面的角膜、晶狀體直達(dá)眼底視網(wǎng)膜。人眼前部對不同波長的光有不同的阻礙能力，例如不戴太陽鏡，只有少于百分之一的紫外線會到達(dá)視網(wǎng)膜，但幾乎所有的藍(lán)光都能到達(dá)視網(wǎng)膜[5]。研究發(fā)現(xiàn)，長時間、近距離使用電子產(chǎn)品會加速近視的發(fā)生與進(jìn)展[6]?；谝陨锨闆r，設(shè)計一套具有提醒報警功能的電子屏幕智能防近視系統(tǒng)是很必要的。

目前，關(guān)于該領(lǐng)域的相關(guān)研究還很少，大部分研究只是停留在理論層面，探究屏幕對眼睛的傷害機制，相對地提出一些建議。雖然有采用ZigBee 來實現(xiàn)監(jiān)測電子屏幕觀看距離的研究[3]，但是采用ZigBee 的系統(tǒng)有一個較大的缺陷便是價格相對昂貴，不適合批量生產(chǎn)，且同樣需要使用單片機最小模塊。同時，考慮到51 單片機不具備自編程能力，本研究采用了STM32單片機來實現(xiàn)各個模塊間的控制。

此系統(tǒng)的檢測模塊由紅外人體傳感器與超聲波測距傳感器構(gòu)成，能夠感知人體并實現(xiàn)實時測距的功能；報警模塊由LED 燈與語音模塊組成，相比于單一的報警形式，能夠從聲光兩方面實現(xiàn)報警提醒，使人遠(yuǎn)離屏幕，達(dá)到保護(hù)眼睛的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的總體框架

系統(tǒng)整體由控制模塊、檢測模塊、報警模塊組成?？刂颇K由STM32 單片機控制；檢測模塊由紅外人體傳感器和超聲波測距傳感器構(gòu)成；報警模塊由LED 燈、語音模塊與揚聲器組成。當(dāng)檢測模塊中的紅外人體傳感器檢測到人體信號，并且測距傳感器檢測到的距離到達(dá)甚至小于設(shè)定的閾值時，控制模塊就會使報警模塊工作，發(fā)出提醒。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

此系統(tǒng)由STM32 單片機、人體紅外傳感器、超聲波測距傳感器、LED 燈、YS-M3 語音模塊以及揚聲器組成。電路原理圖如圖2 所示。

1.2.1 系統(tǒng)的控制模塊

系統(tǒng)采用STM32 單片機（STM32F103RCT6）作為核心處理器，主要負(fù)責(zé)兩部分信號的傳遞。首先，接收來自人體傳感器傳輸?shù)男盘枺袆e高低電平，在接收到高電平信號時使測距傳感器開始工作；其次，在測距傳感器檢測到的距離小于等于設(shè)置的閾值時，單片機會使報警模塊開始工作，發(fā)出警報。

1.2.2 系統(tǒng)的檢測模塊

系統(tǒng)的檢測模塊由一個人體紅外傳感器（HCSR501）和一個超聲波測距傳感器（HC-SR04）構(gòu)成。將人體紅外傳感器與測距傳感器集成在一起，并放置在電子屏幕的正上方。首先，人體傳感器一直處于啟動狀態(tài)，當(dāng)屏幕前沒有人時，傳感器感受不到人體信號，會向單片機輸出低電平信號；當(dāng)屏幕前有人存在時，傳感器便能接收到人體信號，同時向單片機輸出一個高電平信號。單片機在接收到來自人體傳感器的高電平信號時，會使測距傳感器開始工作，測距傳感器就可以實時檢測人體與測距傳感器之間的距離。

人體紅外傳感器的設(shè)置是為了能讓系統(tǒng)具備防止誤報的功能。單單一個測距傳感器也能實現(xiàn)測距的功能，但如果進(jìn)入屏幕前范圍的不是人而是其他物體，例如一本書、一個紙袋等等，在滿足條件時也會讓系統(tǒng)報警，然而這樣的報警是我們不希望發(fā)生的，我們期望的是只有人體這一個對象能夠引起系統(tǒng)的反應(yīng)，因此，人體傳感器的設(shè)置是必要的。

1.2.3 系統(tǒng)的報警模塊

系統(tǒng)的報警模塊由LED 燈、語音模塊（YS-M3）與揚聲器構(gòu)成。在接收到單片機的信號時，LED 燈會閃爍，同時語音模塊也開始工作，并通過揚聲器將預(yù)先設(shè)置好的提示語音播放出來，提醒使用者遠(yuǎn)離屏幕。

1.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)使用KEIL5 軟件編寫，系統(tǒng)的流程圖如圖3 所示。

首先初始化系統(tǒng)，使人體傳感器處在工作狀態(tài)，當(dāng)有人體進(jìn)入傳感器感受范圍內(nèi)時，人體傳感器感受到人體存在，測距傳感器開始工作，測量人體與測距傳感器之間的距離，當(dāng)這個距離小于設(shè)置的閾值時，系統(tǒng)中的聲光報警就會啟動，LED 燈開始閃爍，揚聲器會播放語音模塊中的錄音。

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)與驗證

首先，將測距傳感器、人體紅外傳感器、LED 燈、語音模塊正確地連接到STM32 單片機的相應(yīng)引腳上，揚聲器連接到語音模塊的引腳上，將測距傳感器與人體紅外傳感器集成到一起，使二者在一個平面，以便于更精確地檢測信號；其次，各個模塊的擺放位置并不是固定的，這里建議將傳感器模塊固定在電子屏幕的正上方，LED 燈與揚聲器則固定在電子屏幕的一側(cè)；最后，接通電源，使系統(tǒng)處于工作狀態(tài)。

系統(tǒng)使用的測距傳感器的最大探測距離是4.5 m，人體紅外傳感器的最大探測距離是7 m，因此，此系統(tǒng)的最大有效應(yīng)用距離為4.5 m。實驗中利用筆記本電腦屏幕來測試該系統(tǒng)，將感應(yīng)模塊放置在筆記本電腦屏幕的正上方，當(dāng)人坐在電腦屏幕前方時，測距傳感器測量的正是人體頭部到電腦屏幕的距離，同時人體紅外傳感器也可以感應(yīng)到人體信號。眼睛距離屏幕最佳距離約為一臂之長，將測距傳感器的閾值設(shè)置為25 cm（認(rèn)為眼睛與屏幕的距離小于25 cm 即為危險值）。經(jīng)過多次測試，每次測試都會引起報警系統(tǒng)工作，因為語音模塊中錄制的語音有零點幾秒的空白，所以報警系統(tǒng)的表現(xiàn)為LED 燈先閃爍，隨即語音模塊外接的揚聲器發(fā)出語音提醒。

3 結(jié)束語

人體紅外傳感器與測距傳感器的結(jié)合使用，使得系統(tǒng)在具備測距功能的基礎(chǔ)上還兼具防誤報功能，增加了系統(tǒng)的精確性，減少了系統(tǒng)誤報，使此套系統(tǒng)的現(xiàn)實應(yīng)用成為可能。

另一方面，此系統(tǒng)也還存在一些不足之處，雖然報警模塊發(fā)出聲光提醒，可是并不能強制使人遠(yuǎn)離電子屏幕，可能會出現(xiàn)部分使用者不顧系統(tǒng)提醒，依舊靠近屏幕的情況，未來可以在這方面著手進(jìn)行改進(jìn)工作。

目前，有很多關(guān)于眼睛健康與電子屏幕的調(diào)查，這些研究最后都基于研究發(fā)現(xiàn)給人們提供了一些保護(hù)眼睛的建議。但是卻較少有致力于硬件設(shè)施的研究?？紤]到這樣的不平衡性，研發(fā)該系統(tǒng)可以盡可能幫助人們在使用電子屏幕時注意保持眼睛與屏幕的距離，有利于保護(hù)視力，以免造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害。