燈心智啟

摘 要：為改善傳統(tǒng)臺燈功能單一與當(dāng)前智能臺燈不夠智能化、人性化的問題，該文基于AI技術(shù)和STM32單片機設(shè)計一款融合溫濕度傳感器、超聲波傳感器、光照強度傳感器和Wi-Fi模塊等一系列模塊，以及在照明基礎(chǔ)上增加智能調(diào)光、檢測疲勞、糾正坐姿等功能的智能化、人性化智能語音臺燈。

關(guān)鍵詞：STM32;智能語音臺燈;人性化;檢測疲勞;糾正坐姿;云服務(wù)器

中圖分類號：TM923 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0042-04

Abstract： In order to improve the single function of the traditional table lamp and the current intelligent table lamp is not intelligent and humanized. In this paper， based on AI technology and STM32 MCU， a series of modules such as temperature and humidity sensor， ultrasonic sensor， light intensity sensor and Wi-Fi module are designed， which add intelligent dimming， fatigue detection， correction of sitting posture and other functions to intelligent， humanized intelligent voice desk lamp.

Keywords： STM32; intelligent voice desk lamp; humanization; detecting fatigue; correcting sitting posture; Cloud server

隨著社會的快速發(fā)展，人們對家用電器智能化程度的要求越來越高。不管是對于學(xué)生還是對于工作人群，臺燈是每家每戶必不可少的工具，但長期處于光線太強或者過弱的環(huán)境中學(xué)習(xí)和一系列不良的坐姿都會導(dǎo)致近視和駝背。近年來，青少年的近視眼發(fā)病率逐年上升，近視眼患者低齡化、重度化的趨勢越來越明顯。適宜的光源、正確的坐姿，都是保護視力的必要條件。雖然當(dāng)前市場上智能臺燈有很多，但是其性能尚無法滿足用戶的智能化、人性化等一系列市場需求。而針對人性化，目前關(guān)于智能臺燈的研究中同時具有人體檢測、自動調(diào)節(jié)臺燈亮度與不良坐姿提醒功能的不多。對于人性化這一方面，更多地體現(xiàn)可能是在臺燈的外觀設(shè)計上，但單單從外觀的設(shè)計上來凸顯產(chǎn)品的人性化還是比較單一的。

由于這一系列問題，本項目提出了一款基于AI技術(shù)的智能語音臺燈設(shè)計與開發(fā)，目標(biāo)是實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境光照條件自動調(diào)節(jié)光照強度，防止因燈光太亮或太暗導(dǎo)致的視力下降;感應(yīng)周圍是否有人并實現(xiàn)無人自動關(guān)燈，達到節(jié)約能源，延長臺燈壽命的作用;通過超聲波感應(yīng)根據(jù)使用者眼睛距離書桌的遠(yuǎn)近來進行坐姿調(diào)整，防止因坐姿導(dǎo)致的駝背現(xiàn)象;加入語音模塊有效地實現(xiàn)人機交互功能，不再使用傳統(tǒng)的手動開關(guān)，而是使用語音調(diào)節(jié)光照強度和燈光位置，更加方便對臺燈進行控制。不僅如此，在語音模塊的基礎(chǔ)上還增加了一塊1.3寸的TFT迷你小屏幕，對每次語音操作都會有相對應(yīng)的Q版微表情，更具有交互的體驗感，其上也會顯示時間、日期、房間溫度和濕度等眾多信息供使用者參考等一系列功能。對此，本文擬作出如下研究論述。

1 臺燈整體設(shè)計

本項目智能語音臺燈的功能實現(xiàn)主要采用了STM32單片機作為臺燈的核心控制板，ESP8266 Wi-Fi模塊進行遠(yuǎn)程通信連接;光敏傳感器根據(jù)環(huán)境光照情況進行臺燈的開關(guān)控制;人體感應(yīng)傳感器檢測周圍是否有人來實現(xiàn)臺燈的開關(guān)控制;光照傳感器模塊對使用環(huán)境光照情況進行采集;溫度傳感器模塊對周圍環(huán)境情況進行采集，超聲波傳感器檢測坐姿是否標(biāo)準(zhǔn)，蜂鳴器模塊鳴響提示使用者，舵機模塊調(diào)節(jié)燈光位置，K210攝像頭進行臉部圖像識別檢測使用者的狀態(tài)，語音識別進行臺燈基礎(chǔ)功能的控制;OLED和TFT顯示屏對臺燈使用情況進行采集，制作APP和小程序客戶端通過阿里云服務(wù)器與用戶進行遠(yuǎn)程通信。各模塊如圖1所示互相配合，形成完整的功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32單片機主控

STM32系列單片機由ST公司生產(chǎn)的專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的ARMCortex-M3內(nèi)核。本系統(tǒng)采用的STM32屬于互聯(lián)型產(chǎn)品，具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：72 MHz主頻，56 K字節(jié)Flash，64字節(jié)SRAM，2個看門狗，多個16位定時器，80%的引腳可以作為通用I/O口，以及USART、SPI等通信外設(shè)，其外設(shè)完全滿足本系統(tǒng)的功能要求[1]。因此，本系統(tǒng)采用STM32F103作為總控制器，主要從各個模塊中獲取信息，對獲取的信息進行編碼，根據(jù)需要將編碼的信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，再通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)分發(fā)給APP能夠控制整個系統(tǒng)功能的正常運行[2]。

2.2 語音識別模塊

語音識別模塊控制臺燈的各種基礎(chǔ)功能，使用的新型語音模塊集成了語音識別處理器和一些包括 AD/DA 轉(zhuǎn)換器、聲音輸出接口、麥克風(fēng)接口等的外部電路，能夠便捷地通過先進的語音識別技術(shù)進行處理并執(zhí)行指令。模塊亦包含語音合成及反饋系統(tǒng)，可以同時以自然語言與用戶進行交互，提供指令執(zhí)行的反饋。

2.3 超聲波模塊

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。根據(jù)時間差和超聲波的速度可以估算出發(fā)射位置到障礙物位置的距離[3]，用超聲波模塊來進行測距，一個超聲波控制頭部與桌面的距離，一個超聲波控制身體與桌面的距離，確保學(xué)習(xí)者處于一個標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)坐姿，防止長時間不良坐姿導(dǎo)致駝背、近視等不良現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2.4 光照傳感器模塊

光照傳感器的作用是測量周圍光線的強度和變化，其內(nèi)部由晶振、光敏二極管、ADC采集和運算放大器等組成。PD二極管通過光生伏特效應(yīng)將輸入光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)運算放大電路后，由ADC采集電壓，然后通過邏輯電路轉(zhuǎn)換成16位二進制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出，以反映周圍的光照情況。其可以在各種應(yīng)用場景中實現(xiàn)自動控制、照明調(diào)節(jié)、環(huán)境監(jiān)測，以及根據(jù)環(huán)境強度控制開關(guān)燈等功能。

2.5 溫濕度傳感器模塊

將溫度和濕度信號采集出來，經(jīng)過穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉(zhuǎn)換、恒流及反向保護等電路處理后[4]，轉(zhuǎn)換成與溫度和濕度成線性關(guān)系的電流信號或電壓信號輸出，采集到的信息可以傳送到APP、小程序、OLED顯示屏和語音模塊等各個傳感器中，輔助其他模塊進行協(xié)調(diào)工作，當(dāng)溫濕度大于一定范圍會進行蜂鳴器鳴響，提示使用者當(dāng)前環(huán)境不適合繼續(xù)學(xué)習(xí)工作，并進行開風(fēng)扇等工作進行降溫降濕。

2.6 Wi-Fi模塊

將串口或TTL電平轉(zhuǎn)為符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置完備的TCP/IP協(xié)議棧。通過將臺燈（ESP8266模塊）連接到阿里云服務(wù)器，通過小程序與Web網(wǎng)頁端實現(xiàn)對臺燈進行實時操控與信息獲取，運用藍(lán)牙連接對臺燈進行控溫控光。

2.7 OLED與TFT彩屏

顯示屏對各種傳感器采集到的信息進行顯示、增強使用者的體驗感，如圖2（a）所示，OLED中對光照傳感器、溫濕度傳感器、超聲波傳感器進行了數(shù)據(jù)顯示;如圖2（b）所示，TFT顯示屏將單片機通過Wi-Fi模塊采集到的和風(fēng)天氣客戶端的數(shù)據(jù)進行顯示。

2.8 K210攝像頭

K210是一個低成本、功能強大的機器視覺模塊，在學(xué)習(xí)YOLO算法后將PERCLOS理論作為編程判斷的核心框架，通過Python編程語言編寫AI深度學(xué)習(xí)算法，實現(xiàn)對人臉的識別，識別使用者的工作狀態(tài)，檢測是否疲勞，首先檢測人臉，并利用ERT算法定位人臉特征點;然后根據(jù)人臉眼睛區(qū)域的特征點坐標(biāo)信息計算眼睛縱橫比，用EAR來描述眼睛的張開程度，根據(jù)合適的EAR閾值可判斷睜眼或閉眼狀態(tài);最后基于EAR實測值和EAR閾值，根據(jù)監(jiān)控視頻計算閉眼時間比例 （PERCLOS）值，從而度量使用者主觀疲勞程度，將其與設(shè)定的疲勞度閾值進行比較即可判定是否疲勞[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程總體設(shè)計

首先用戶通過手機連接到智能臺燈，配對并通過用戶認(rèn)證。之后打開臺燈，啟動所有的傳感器，各傳感器開始通過溫度、濕度、紅外、超聲波和光照等環(huán)境因素檢測用戶及房間狀態(tài)。通過語音模塊，判斷用戶是否對臺燈進行語音操作，若有，則檢測為哪項詞條并進行相應(yīng)操作。具體測試結(jié)果見表1，識別成功后輸出串口和播報內(nèi)容及相應(yīng)操作見表2。

與此同時，光照傳感器根據(jù)環(huán)境光線是否變化控制臺燈自動開關(guān)及調(diào)節(jié)亮度和角度，超聲波傳感器會根據(jù)用戶與桌面的距離判斷是否坐姿不良并適時通過蜂鳴器提醒。

3.2 APP界面及TFT彩屏設(shè)計

APP界面設(shè)計為方便用戶使用，整體風(fēng)格以簡約大氣為主，如圖3（a）所示，共有6個板塊，包含天氣情況、空氣質(zhì)量、溫濕度和光照強度等信息，并且可以遠(yuǎn)程控制燈光強弱和開關(guān)。

而TFT彩屏則以人性化為主要標(biāo)準(zhǔn)，如圖3（b）、圖3（c）所示，著重考慮用戶心理健康，采用可愛生動的Q萌表情作為彩屏主頁面，并且每次語音命令后都會生成不同的Q版微表情與使用者進行互動。

3.3 K210攝像頭設(shè)計

3.3.1 AI深度學(xué)習(xí)算法

AI深度學(xué)習(xí)算法的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)的路徑是云計算。通過充足的數(shù)據(jù)、足夠快的算力，得出更加精確的“結(jié)果”（宏觀上呈現(xiàn)機器的某種智能化功能）。本項目則將K210寫入的大量人臉疲勞數(shù)據(jù)存入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)當(dāng)中，讓K210通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)進行自我學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，使其對人疲憊時候的特征與正常工作狀態(tài)的RGB閾值分離進行數(shù)據(jù)分析。

3.3.2 圖像采集與增強

為驗證所研究的識別算法的普遍適用性，盡量使監(jiān)控到的疲勞圖像與正常特征基本一致，在滿足環(huán)境條件的情況下進行原始圖像的數(shù)據(jù)采集。

對抓取到的疲勞狀態(tài)原始圖像進行增強處理，提高圖像清晰度，使疲勞狀態(tài)圖像的輪廓特征更突出，以便于滿足圖像識別的要求如圖4所示[6]。

4 創(chuàng)新點

本產(chǎn)品的設(shè)計旨在對各類市面上的智能語音臺燈進行設(shè)計更新，增加一些方便人們學(xué)習(xí)中或工作中使用的功能，操作簡單，使用方便。

本項目使用了HC-SR04超聲波模塊設(shè)計了糾正坐姿的功能。當(dāng)人們坐姿正確時，身體與臺燈的距離，頭與桌面的距離、頭與臺燈的距離三者之間可以近似地組成一個直角三角形（圖5），方便了坐姿糾正的計算。另外考慮到可能擁有不同年齡段的適用人群，以及人們放置臺燈位置的不同，組成相對直角三角形的程度可能不同，通過調(diào)查確定一定的誤差范圍，以此提高坐姿糾正功能的準(zhǔn)確度。

本項目設(shè)計增加了攝像頭進行AI算法大模型的訓(xùn)練，實現(xiàn)對疲勞學(xué)習(xí)工作這一系列低效率的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)低效率學(xué)習(xí)工作狀態(tài)時語音小助手會提示休息與放松，待有一個良好的狀態(tài)時繼續(xù)進行學(xué)習(xí)與工作，將傳統(tǒng)的家用臺燈與時代前沿科技結(jié)合起來，構(gòu)成與以往功能單一或功能不全面的不同體驗效果，減少人們在使用臺燈學(xué)習(xí)時的多種額外煩惱，增加學(xué)習(xí)期間的沉浸度、自由度。

本項目的設(shè)計還能通過藍(lán)牙模塊用手機APP實現(xiàn)控光控溫，在光照太強或者太弱的環(huán)境下長期學(xué)習(xí)工作，都是對使用者視力的一種巨大傷害，臺燈會根據(jù)環(huán)境光照強度自動調(diào)節(jié)光照強度達到一種預(yù)防因光照強度導(dǎo)致的視力下降的問題。通過ESP-01S無線模塊實現(xiàn)與阿里云平臺的連接，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控臺燈使用情況和環(huán)境數(shù)據(jù)，對臺燈的各項功能起到一個實時監(jiān)控的作用。

5 結(jié)論

本臺燈基于AI技術(shù)和STM32單片機，依托各種傳感器來監(jiān)測環(huán)境變化，提出了一款能夠自動調(diào)節(jié)臺燈光強、檢測疲勞、糾正不良坐姿的人性化、智能化臺燈。該設(shè)計能直接通過軟件和小程序?qū)鈴娦盘柤罢Z音播報進行設(shè)置和調(diào)節(jié)，達到遠(yuǎn)程控制的目的。在為使用者提供便利化操控體驗的同時，在一定程度上預(yù)防了當(dāng)前社會青少年普遍存在的近視與駝背問題。對以智能語音臺燈為代表的智能家居技術(shù)的發(fā)展做了有益探索。

智能語音臺燈經(jīng)過多次調(diào)試和改進后，總體設(shè)計安全可靠，具有相當(dāng)?shù)膶嵱眯?。但在系統(tǒng)控制等方面仍有許多值得進一步探索與完善處。比如可以根據(jù)個人需求，將主觀語音控制模式（或手動控制）與客觀自動控制模式設(shè)置為并行模式供用戶自由選擇，進一步改善用戶照明體驗，節(jié)約能源，將系統(tǒng)的實用性進一步提高。

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*通信作者：王葉南（1984-），女，碩士，講師。研究方向為數(shù)字圖像處理。