智能眼鏡設計

吳倩倩，余正發(fā)，歐元博

（安徽理工大學，安徽淮南，232001）

電子設備早已成為我們生活中不可替代的一部分，但過度使用電子設備會對我們的視力健康產生威脅。早在2018年，全國兒童青少年近視率就已經達到了53.6%。其中，中學生近視率甚至達到了75%以上。但由于目前社會近視治療體制不夠健全，技術設備不夠成熟，預防保健便成了目前保護國民視力健康的唯一途徑，這就使得眼鏡市場成為了一片廣闊的天地[1]。而科技的發(fā)展在使眼鏡功能的到拓展的同時，也滿足了當前廣大消費者對產品功能多元化的需求心理。因此，智能眼鏡運應而生。本款智能眼鏡在已有的智能眼鏡功能的基礎之上，特別增加了疲勞檢測系統(tǒng)和智能語音播報系統(tǒng)，與冷冰冰的機械產品相比更能讓用戶感受到科技的溫度。

1 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示，本設計由疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、語音播報系統(tǒng)、語音交互系統(tǒng)、GPS定位導航系統(tǒng)、WiFi無線通信系統(tǒng)組成。其中，STM32單片機作為整個系統(tǒng)的核心控制，通過與外圍電路的配合來實現(xiàn)不同的功能。VisionSeed模組、WiFi無線通信模塊、語音模塊構成疲勞監(jiān)測系統(tǒng)。MP3模塊和STM32的配合構成語音播報系統(tǒng)。WTK6900G-24SS語音識別芯片與主控芯片的配合構成語音交互系統(tǒng)。GPS模塊、STM32單片機構成GPS定位導航系統(tǒng)，同時還設有按鍵模塊解決特殊情況的緊急報警功能。通過在鏡片基板中加入微晶鹵化銀來實現(xiàn)鏡片變色功能，以適應不同場景下用戶的佩戴需求，使眼鏡兼具太陽鏡的功能。

圖1 系統(tǒng)框架圖

1.1 疲勞監(jiān)測系統(tǒng)

隨著社會的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏越來越快，這種節(jié)奏下的生活更加讓人們產生疲勞感。為了保證人們的工作效率，現(xiàn)設計一款具有實時跟蹤用戶面部并進行語音提醒功能的系統(tǒng)，在保障駕駛員安全駕駛、學生課堂聽講、上班族高效率工作等方面有著重要的現(xiàn)實意義。

該疲勞監(jiān)測裝置系統(tǒng)主要由STM32單片機、VisionSeed模組（內含：RGB、IR雙攝像頭（OV9782）閃迪16GB存儲芯片、全志AXP15060芯片、USB或UART接口）、MP3語音報警模塊、WiFi無線通信主控模塊等組成。通過VisionSeed模組獲取用戶面數據后，經過單片機的處理，如監(jiān)測要用戶發(fā)生疲勞，通過MP3語音模塊進行報警提醒。

圖2 疲勞監(jiān)測系統(tǒng)

本系統(tǒng)對面部數據的采集分析，主要采用灰度投影法。通過對采集到的圖像進行比對，計算不同圖片之間的相似度，然后進行圖像投影，最后根據閾值分割或邊緣檢測定位的方法提取人的面部特征參量。本設計根據返回的關鍵點坐標建立直角坐標系，通過上下關鍵點和左右關鍵點的信息提取建立眼睛大小標準值，比對測量的眼睛面積后得出 PERCLOS 值。

PERCLOS 值是卡內基梅隆研究所經過研究，提出的度量疲勞的物理量。其定義為單位時間內（一般取1min或者30s） 眼睛閉合一定比例 （70%或80%） 所占的時間，滿足下式時就認為發(fā)生了瞌睡，PERCLOS 值的計算公式為：

經資料得出，當疲勞閾值為0.4的時候P80標準比P70 標準更加符合用戶疲勞監(jiān)測的標準。所以，本設計采用P80標準（P80標準：瞳孔被上下眼瞼覆蓋的面積超過80%所占的時間比例）。通過對已存有的API進行人臉識別，在完成對人臉關鍵點數據的實時監(jiān)測后，根據不同用戶面部特征量，計算出 PERCLOS 的閾值[2]。同時，為了保證閾值的可靠性，用戶在使用過程中系統(tǒng)同步進行數據的更新，從而實現(xiàn)數據的實時調整。如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數據超過計算的疲勞閾值，則發(fā)出警報，從而達到提醒駕駛員的目的；如果監(jiān)測數據未超過原定閾值，則對數據進行保存處理。

在此基礎上，還設計了云端監(jiān)測應用和手機APP軟件，可將監(jiān)測的面部信息通過WiFi上傳到云端，并通過Internet將數據傳輸至手機APP，并根據采集的數據分析疲勞程度，然后在手機APP界面上為用戶制定合理的休息計劃。 同時由于當今社會的人更加注重健康，在對該APP設計的同時，還具備通過分析實時監(jiān)測的數據，為人們的健康提出建議[3]。

1.2 語音播報模塊

經調查，一部分人對機器播報有排斥心理，從而語音提醒達不到應有的效果。本設計為了迎合大眾的需求，用戶使用時可以根據個人情況，自行更改提醒內容或者提醒方式，通過運用提前錄入的語音進行提醒播報。語音提醒模塊系統(tǒng)以STM32單片機為核心控制芯片進行電路的控制，負責錄音和放音兩種設置，對于系統(tǒng)中斷命令的響應和對外部存儲器RAM進行讀寫的操作[4]。用戶再通過初始化后，將個性化語音模擬信號轉換為數字信號，并存儲到EEPROM。當監(jiān)測模塊監(jiān)測到用戶出現(xiàn)疲勞癥狀信號時響應中斷請求指令，進而調出數字信號并轉換為模擬信號輸出到MP3模塊，進行播報。同時，用戶的家人可以通過下載手機APP 接收Internet傳輸至手機APP的數據，進而排除了家人對用戶的擔憂[5]。

1.3 語音交互系統(tǒng)

語音識別模塊主要使用WTK6900G-24SS語音識別芯片。該芯片具有的可靠性高、通用性強、喚醒識別率高、可喚醒的距離長、誤喚醒率低、語音控制指令條數豐富、抗噪音能力強、響應識別時間短，可純離線識別等特點，使語音交互系統(tǒng)的運用更加滿足用戶的日常需求?；谶@些優(yōu)點，該芯片在眼鏡上的應用能提高用戶的體驗感。語音芯片識別后數字信號借助交互平臺輸入語音系統(tǒng)，經過STM32的控制后，將數字信號轉化為聲音信號后通過揚聲器進行語音播報。

圖3 語音提醒系統(tǒng)框圖

1.4 智能GPS導航播報系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由GPS模塊、STM32單片機、語音模塊組成。GPS模塊使用AT6558R定位芯片，該芯片能夠同時支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括中國的BDS，美國的GPS，俄羅斯的GLONASS，并實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合定位。GPS通過串口與STM32進行通信，進而能夠實現(xiàn)播報導航信息的功能。根據GPS 定位信息的采集能得到用戶到目的地的預估時間和最佳路線。同時，用戶在使用這部分功能之前，需要自行下載地圖軟件。GPS 模塊與電子地圖的配合進而實現(xiàn)用戶導航的功能[6]。GPS 定位裝置設置在眼鏡架腿中，可以提高眼鏡整體的美觀度。

圖4 GPS定位導航系統(tǒng)框圖

圖5 按鍵連接原理圖

1.5 緊急報警模塊

通過在眼鏡架上設計一個小型緊急按鈕當用戶遇到緊急情況時，可通過特定語音指令或者緊急按鈕在發(fā)出報警信號。

1.6 鏡片變色功能

為了滿足用戶在不同場合下的要求，對智能眼鏡的鏡片進行了設計。通過在鏡片基板中加入微晶鹵化銀來實現(xiàn)眼鏡能夠根據紫外線的強度變色[7]。在光照強度大的情況下，鏡片內部的鹵化銀分解，生成的黑色的銀顆粒均勻分散在鏡片上，使得鏡片變暗，從而達到太陽鏡的使用感；當光照強度變弱的時候，鏡片內部反應逆轉，又恢復原來的顏色狀態(tài)。這種設計使傳統(tǒng)眼鏡兼具太陽鏡的功能。

圖6 緊急報警系統(tǒng)流程圖

2 結束語

隨著社會的快速發(fā)展，加速了人們的用眼需求。各個年齡階段的人都對眼鏡有所依賴，這給眼鏡行業(yè)帶來了很大的創(chuàng)新空間，不同于傳統(tǒng)的眼鏡，由于現(xiàn)如今的人們對高質量生活的追求，眼鏡也應該隨著科技的進步而有所改進。為了迎合人們的需要，本設計中的智能眼鏡具有疲勞監(jiān)測系統(tǒng)、GPS導航定位系統(tǒng)、智能語音識別系統(tǒng)、語音播報系統(tǒng)等系統(tǒng)構成，同時還能夠適應不同環(huán)境下的變色，從而增加用戶的體驗感和舒適感。

目前，中國智能眼鏡行業(yè)的發(fā)展相對緩慢。市場上的眼鏡仍然以功能單一的傳統(tǒng)眼鏡為主，智能眼鏡的普及率還很低。就眼鏡的設計而言，智能眼鏡的設計既要滿足用戶的日常需求，還需要滿足用戶的佩戴舒適感。所以，智能眼鏡的售價普遍高于傳統(tǒng)的眼鏡，行業(yè)整體處于發(fā)展初期狀態(tài)，尚未在市場得到大量應用。但是伴隨著科技的不斷進步，智慧化產品市場化的同時，眼鏡行業(yè)的發(fā)展會越來越好！讓人們在快節(jié)奏的生活壓力下，在科技的便利下，生活的質量越來越高！