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越高，人們對家居物品的人性化、智能化設(shè)計要求越來越高[1]，智能臺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。當前，學(xué)生學(xué)習(xí)時間較長，其間會存在駝背、低頭、坐姿不正、眼睛距離桌面和紙張越來越近等問題，眼睛使用頻率高，容易造成眼疲勞。長此以往，用戶會出現(xiàn)駝背、脊柱不正、頸椎病等疾病[2]。于是，智能臺燈的發(fā)展也越來越受迫切[3]。

　　本文設(shè)計的多頻采光智能矯姿護眼照明設(shè)備，采用光感器件采集當前周圍環(huán)境亮度后通過主控計算得出最佳的光線方案，最后對LED燈組亮度進行調(diào)節(jié)，從而對使用者達到護眼抗疲勞效果。該設(shè)備通過攝像頭實時檢測用戶的坐姿，當用戶坐姿與標準坐姿偏差超過閾值時，系統(tǒng)會進行語音播報提醒用戶端正坐姿。同時，該設(shè)備接有人體紅外傳感器，若使用者離開臺燈過久則會自動熄滅，從而達到節(jié)約能源的效果。

　　1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)及總體設(shè)計方案

　　系統(tǒng)分為硬件設(shè)計和軟件兩部分。硬件部分由ESP32、Jetson Nano、LED護眼燈組、OLED屏幕、熱釋電紅外傳感器、光感熱感傳感模塊、語音模塊及電源模塊組成;軟件部分由ESP32對各外圍模塊的驅(qū)動程序、多頻采光程序、PID智能調(diào)光算法和Jetson Nano的人體坐姿檢測算法組成。該設(shè)備可實現(xiàn)紅外人體檢測、多頻采集光線強度、智能調(diào)光、坐姿識別及語音提醒。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 ESP32

　　該芯片是一款高集成度、高性價比、功耗超低、主打安全的單核Wi Fi So C，其除了含有CPU外，還集成了2.4 GHz Wi Fi、藍牙模塊、豐富的I/O口[4]。ESP32在本項目產(chǎn)品中擔任系統(tǒng)主控的工作，通過SPI/SDIO或I2C/UART接口控制外圍電路，通過實時操作系統(tǒng)，多線程與外圍模塊進行通信。ESP32可選擇多種頻率對外進行采光和測溫，以及處理數(shù)字信息并計算出當前最佳的調(diào)光方案。ESP32接收Jetson Nano對坐姿的判別結(jié)果并進行語音提醒。ESP32最小系統(tǒng)如圖2所示。

　　2.2 Jetson Nano

　　Jetson Nano開發(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CUDA單元，配備了4 GB LPDDR4內(nèi)存[5]。因此可通過其實現(xiàn)圖像識別、對象檢測和定位、姿勢估計、智能分析等強大功能。

　　在本項目中，Jetson Nano搭載Dlib人臉識別庫，通過檢測68個人臉特征點進行姿態(tài)分析。采用經(jīng)典的梯度方向直方圖提取+線性分類器+圖像金字塔+滑動窗口的人臉檢測方法進行坐姿識別，分析產(chǎn)生的結(jié)果通過GPIO轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電平信號發(fā)送給ESP32單片機，最終由ESP32進行對用戶的矯姿提醒。

　　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個模擬輸入端口、1個模擬輸出端口和1個串行I2C總線接口[6]。本設(shè)計通過ESP32與該芯片進行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度并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，再將其數(shù)字信息交由ESP32進行下一步的智能調(diào)光操作。采光電路如圖3所示。

　　2.4 照明模塊

　　照明設(shè)備調(diào)光可通過PWM脈沖寬制進行調(diào)節(jié)或直接對燈源功率進行調(diào)節(jié)。短時間內(nèi)使用采用傳統(tǒng)PWM調(diào)光的照明設(shè)別用戶不會出現(xiàn)明顯不適，因為燈源的閃爍頻率比較高以至于人眼感覺不出來，但長時間使用會使用戶產(chǎn)生眼睛疲勞。該設(shè)備利用主控ESP32的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能對燈組輸入電壓進行調(diào)節(jié)，但ESP32的I/O口最大輸出電流較低，驅(qū)動能力較差，因此需對其進行功率放大的電路設(shè)計，從根本上解決了光源處頻閃和驅(qū)動能力不足的問題。經(jīng)過優(yōu)化后，該方式輸入功率平穩(wěn)，通過智能調(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，冷暖光燈珠隔行排布，使兩種光源能更自然地混合，以達到護眼、抗疲勞的照明效果。光源功率放大電路如圖4所示。

　　2.5 顯示模塊

　　為了讓用戶直觀地看到當前的環(huán)境溫濕度，選用類似于點陣屏的OLED顯示屏。OLED顯示屏具有構(gòu)造簡單、自發(fā)光不需背光源、能耗低、對比度高、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，顯示穩(wěn)定且效果好[7]。在本項目產(chǎn)品中作為人機交互界面，可顯示當前環(huán)境的溫度、亮度、手動調(diào)節(jié)下燈的亮度等級、當前時間、設(shè)備工作狀態(tài)等。OLED屏顯示電路如圖5所示。

　　2.6 人體紅外感應(yīng)模塊

　　HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，該模塊采用德國原裝進口的LH 1778探頭，敏銳性高、操縱性強[8]。廣泛應(yīng)用于各類自動感應(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)計理念相符，因此本項目采用該人體紅外感應(yīng)模塊，當人在使用范圍時，臺燈會正常工作。當人離開臺燈感應(yīng)區(qū)域，在一段時間后會進行提醒并關(guān)燈，若長時間未關(guān)燈，設(shè)備會自動關(guān)燈來防止電量的浪費，以達到節(jié)能環(huán)保的效果。人體感應(yīng)電路如圖6所示。

　　2.7 語音播放模塊

　　DY-SV17F語音模塊如圖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USB數(shù)據(jù)線連接電腦更改音頻文件[9]。設(shè)計中采用該模塊存儲音頻文件并驅(qū)動喇叭對用戶進行矯姿提醒。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 系統(tǒng)總體流程

　　本文設(shè)計的臺燈有智能和手動兩種模式。系統(tǒng)初始化后默認進入智能工作模式，用戶可選擇切換至手動工作模式，人工控制臺燈的亮度及開關(guān)。智能調(diào)光模式下，系統(tǒng)對外界光線強度進行采集后對燈組進行智能調(diào)節(jié)，攝像頭檢測到用戶坐姿長時間不端正，會對用戶進行語音提醒，臺燈配置的人體紅外感應(yīng)模塊長時間沒有檢測到人，會自動關(guān)燈，實現(xiàn)能源節(jié)約。系統(tǒng)總體流程如圖9所示。

　　3.2 多頻采光

　　設(shè)備啟動后，ESP32與PCF8591進行IIC通信，ESP32設(shè)備以默認頻率向PCF8591發(fā)送采光指令，PCF8591接收到ESP32發(fā)出采光指令后對采光電路進行電壓模擬量采集并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將其數(shù)字信號發(fā)送回ESP32，等待ESP32進行下一步處理操作。設(shè)備預(yù)設(shè)默認采光頻率，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，而越低的頻率能達到愈佳的低功耗效果。

　　其主控通過Arduino ide進行開發(fā)編程，通過此方式進行開發(fā)，有著諸多好處，如：程序編譯難度不高，代碼維護簡單方便，運行內(nèi)存占用率低，外設(shè)驅(qū)動開發(fā)封裝庫齊全等。圖10所示為Arduino ide開發(fā)環(huán)境下，ESP32發(fā)送采光命令和接受數(shù)字信息的過程。

　　3.3 智能調(diào)光

　　辦公學(xué)習(xí)離不開光源，光源的類型也有很多，不同的場合有不同的光線需求，3 000 K的色溫顯得周圍環(huán)境比較溫馨，使人比較昏昏易睡;4 500 K的色溫周圍環(huán)境比較溫和，適合大多數(shù)的場合使用;6 500 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既可以提高工作的效率也能保護眼睛。

　　4 系統(tǒng)測試

　　(1)模塊功能測試：接通電源，當臺燈檢測到用戶后，系統(tǒng)初始化，OLED屏正常啟動，能顯示當前環(huán)境亮度比例，燈組亮度比例，當前環(huán)境溫度，開始計時已使用時長及18650鋰電池剩余電量。語音模塊播放提醒用戶端正坐姿的語音。當臺燈檢測到用戶長時間離開，會自動進入休眠模式，關(guān)閉燈組，暫停各模塊的工作。

　　(2)燈組燈光智能調(diào)節(jié)測試：燈組正常發(fā)光，當外界光線變化，燈組能做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。

　　(3)坐姿檢測與提醒功能測試：系統(tǒng)初始化后，攝像頭掃描用戶人臉并定位，然后播放語音提醒用戶調(diào)整到正確坐姿，之后便進入監(jiān)測模式。當用戶短時間內(nèi)坐姿與標準坐姿有偏差，系統(tǒng)會視為用戶是放松狀態(tài);當用戶長時間坐姿不正確，播放語音正常，提醒用戶矯正坐姿。設(shè)備原型及調(diào)試場景如圖13所示。

　　5 結(jié)束語

　　本文針對智能照明的應(yīng)用需求開發(fā)的一款多頻采光智能矯姿護眼照明設(shè)備。該設(shè)備通過多種可調(diào)頻率采集外界光線環(huán)境后通過PID算法計算得出當前環(huán)境最佳光線的調(diào)節(jié)方案，以達到護眼的效果;同時通過Jetson Nano板載攝像頭實時檢測用戶坐姿，并在檢測到不良坐姿時通過語音做出糾姿的溫馨提醒，最終達到多頻采光、智能調(diào)光、姿態(tài)矯正的目的，具有較強的實用價值。在后續(xù)的研究中，將進一步優(yōu)化設(shè)備智能調(diào)光的算法與姿態(tài)識別的相關(guān)算法，從而提高該多頻采光智能矯姿護眼照明設(shè)備的精確性與智能性。

　　參考文獻

　　[1]陳雪嬌,潘思儒，易威等基于單片機的智能臺燈設(shè)計[J]電子測試2020(4):34-36.

　　[2]楊靜，谷翠梅蘇晨旭基于單片機的坐姿護眼系統(tǒng)設(shè)計[J]河南科技,2020(4):63-65.

　　[3]苗紫民程澤華蘇彥兵基于單片機的智能臺燈設(shè)計[J]軟件,2019, 40(11):75-78.

　　《多頻采光智能矯姿護眼照明設(shè)備設(shè)計》來源：《機電工程技術(shù)》，作者：唐艷鳳 林俊強 馬振豐