袁秋鳳

（寧德師范學(xué)院 信息與機(jī)電工程學(xué)院，福建 寧德 352100）

據(jù)國(guó)家衛(wèi)健委相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2018年中國(guó)兒童青少年總體近視率為53.6%.在新型冠狀病毒肺炎期間，眼科專家在對(duì)廣州12所小學(xué)2～3年級(jí)小學(xué)生近視發(fā)展變化的監(jiān)測(cè)研究中發(fā)現(xiàn)，中國(guó)小學(xué)生的近視發(fā)病率有所增加[1].目前，兒童青少年的近視防控措施主要著眼于改善用眼環(huán)境，包括：增加戶外活動(dòng)時(shí)間、控制合適的用眼時(shí)間、創(chuàng)造照度良好的學(xué)習(xí)環(huán)境、保證充足的睡眠和營(yíng)養(yǎng)等.兒童青少年主要的用眼場(chǎng)景是獨(dú)立臥室的書桌，臺(tái)燈作為常用的學(xué)習(xí)工具，對(duì)視力的影響不容忽視.傳統(tǒng)臺(tái)燈用于照明，功能單一，智能臺(tái)燈的出現(xiàn)，使臺(tái)燈的功能更加多樣化.智能臺(tái)燈多采用單片機(jī)作為控制器，利用傳感器檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)燈的自動(dòng)控制.近年來(lái)，對(duì)于智能臺(tái)燈的研究，主要集中在節(jié)電和護(hù)眼功能的開(kāi)發(fā)上.劉艷峰[2]設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的智能臺(tái)燈控制系統(tǒng)，通過(guò)熱釋紅外傳感器檢測(cè)人體是否存在，自動(dòng)控制臺(tái)燈的亮滅；利用光敏電阻檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)臺(tái)燈的亮度；通過(guò)紅外測(cè)距傳感測(cè)量人體距離，當(dāng)小于限定距離時(shí)自動(dòng)發(fā)聲報(bào)警.龍洋等[3]研發(fā)的基于智能家居的防近視智能臺(tái)燈，利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)和語(yǔ)音提醒功能.王聰?shù)萚4]設(shè)計(jì)的基于51單片機(jī)的智能臺(tái)燈，利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了百米距離內(nèi)控制臺(tái)燈亮度的功能.目前市面上還出現(xiàn)了一些智能學(xué)習(xí)臺(tái)燈，能夠?qū)崿F(xiàn)家教、通話等功能，但價(jià)格普遍較高.文中基于NodeMCU物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的LED智能臺(tái)燈，能夠?qū)崿F(xiàn)家長(zhǎng)對(duì)孩子用眼環(huán)境和用眼行為的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以作為孩子和家長(zhǎng)聯(lián)合防控近視的一種輔助手段.

1 智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)方案

智能臺(tái)燈總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 智能臺(tái)燈總體設(shè)計(jì)方案

智能臺(tái)燈由臺(tái)燈終端和手機(jī)APP（application，應(yīng)用程序）構(gòu)成，使用對(duì)象為孩子和家長(zhǎng).臺(tái)燈終端由孩子控制，主要由控制器、光源、讀寫距離檢測(cè)電路、按鍵電路、語(yǔ)音提示電路和電源組成，具備亮度調(diào)節(jié)、讀寫距離檢測(cè)、用眼時(shí)間計(jì)時(shí)和語(yǔ)音提醒功能.手機(jī)APP 由家長(zhǎng)操作，可以監(jiān)測(cè)臺(tái)燈亮度、讀寫距離和用眼時(shí)間，以及遠(yuǎn)程控制臺(tái)燈的關(guān)閉.臺(tái)燈終端和手機(jī)APP 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用基于MQTT（message queuing telemetry transport，消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái).

2 臺(tái)燈終端的設(shè)計(jì)

2.1 臺(tái)燈終端的硬件電路設(shè)計(jì)

臺(tái)燈終端主要由NodeMCU 開(kāi)發(fā)板、WS2812B環(huán)狀燈板、HC-SR04超聲波傳感器、DY-SV17F語(yǔ)音播放模塊、4 Ω 3 W 喇叭和四腳鈕子開(kāi)關(guān)等組成，使用5 V 直流電源供電.利用Fritzing 軟件繪制的電路接線圖如圖2 所示.由于Fritzing 軟件元件庫(kù)中沒(méi)有WS2812B 環(huán)狀燈板和DY-SV17F 語(yǔ)音播放模塊，可使用InkScape軟件自制元件.

圖2 智能臺(tái)燈終端電路接線圖

本設(shè)計(jì)采用樂(lè)鑫ESP8266 的NodeMCU 開(kāi)發(fā)板作為核心控制器，它是一款超低功耗、高性價(jià)比的開(kāi)源物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，可支持UART、IIC、PWM、GPIO 和ADC 等接口[5]，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中廣泛采用.WS2812B 環(huán)狀燈板作為臺(tái)燈照明光源，它是一種采用單總線協(xié)議的可編程智能LED 光源，集成了WS2812B控制芯片和5050RGBLED 發(fā)光電路，最多支持1 024個(gè)LED 燈珠的級(jí)聯(lián)，每個(gè)LED 燈珠可編程控制顯示不同的顏色和亮度.HC-SR04 超聲波傳感器用于檢測(cè)讀寫距離，它基于超聲波發(fā)射和反射原理實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量，通過(guò)時(shí)間差計(jì)算臺(tái)燈和人之間的距離.DY-SV17F 語(yǔ)音播放模塊、4 Ω 3 W 喇叭和3個(gè)10 kΩ 的電阻組成語(yǔ)音提示電路.DY-SV17F 是一款智能語(yǔ)音模塊，集成IO 分段觸發(fā)控制（包括IO 組合模式和IO 獨(dú)立模式）、UART 串口控制、單總線串口控制、標(biāo)準(zhǔn)MP3 等7 種工作模式，可通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線連接電腦更新音頻文件.四腳鈕子開(kāi)關(guān)用于控制臺(tái)燈的開(kāi)關(guān)和亮度模式.

為充分利用NodeMCU 開(kāi)發(fā)板有限的IO 資源，具體電路接法和功能如下.D10（GPIO1）引腳和D9（GPIO3）引腳作為串口，實(shí)現(xiàn)智能臺(tái)燈與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)服務(wù)器之間的WiFi 通信.D6（GPIO12）引腳連接WS2812B 環(huán)狀燈板的DI 引腳，用于驅(qū)動(dòng)WS2812B.D7（GPIO13）引腳連接四腳鈕子開(kāi)關(guān)，采用上拉模式接法，用于檢測(cè)按鍵輸入.D1（GPIO5）引腳、D2（GPIO4）引腳分別連接HC-SR04 超聲波傳感器的Trig 引腳和Echo引腳，用于控制超聲波傳感器發(fā)送和接收信號(hào).D5（GPIO14）引腳、DS3（GPIO10）引腳分別連接DY-SV17F語(yǔ)音播放模塊的IO1引腳、IO2引腳，用于觸發(fā)輸出語(yǔ)音提示信息.

本設(shè)計(jì)中的DY-SV17F語(yǔ)音播放模塊采用IO獨(dú)立模式1電平觸發(fā)方式，即IO0～I(xiàn)O7獨(dú)立控制8首曲目，曲目文件必須以5 位數(shù)字格式命名，包括00001.mp3～00008.mp3.當(dāng)某一個(gè)IO 口為低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的曲目播放，當(dāng)該IO口恢復(fù)高電平，當(dāng)前曲目停止播放.IO獨(dú)立模式1的電路連接需將CON3/BUSY、CON2和CON1三個(gè)引腳的電平配置為011.

2.2 臺(tái)燈終端的控制程序設(shè)計(jì)

NodeMCU 通常使用方便快捷的Lua 語(yǔ)言和Arudio IDE 進(jìn)行開(kāi)發(fā)[6].臺(tái)燈終端控制程序基于Arudio IDE開(kāi)發(fā)，采用C++語(yǔ)言，利用免費(fèi)的巴法云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)發(fā)布和訂閱消息.

在臺(tái)燈終端控制程序設(shè)計(jì)之前，需要完成如下工作.注冊(cè)并登陸巴法云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，選擇“MQTT 設(shè)備云”，新建臺(tái)燈模式、讀寫距離和用眼時(shí)間3 個(gè)主題，并記錄下MQTT 服務(wù)器連接的用戶私鑰、端口號(hào)和主題名.臺(tái)燈終端控制程序的整體運(yùn)行流程如圖3所示.

圖3 臺(tái)燈終端控制程序流程圖

程序的初始化配置包括設(shè)置NodeMCU 的串口波特率、IO口、定時(shí)器和燈板初態(tài).使用Ticker對(duì)象實(shí)現(xiàn)按鍵延時(shí)消抖、定時(shí)發(fā)布消息、讀寫距離定時(shí)檢測(cè)和用眼計(jì)時(shí).定時(shí)時(shí)間分別設(shè)定為10 s、30 s、2 min和1 h.當(dāng)讀寫距離小于30 cm或用眼時(shí)間超過(guò)1 h，語(yǔ)音模塊將播放相應(yīng)的音頻文件，提示孩子調(diào)整用眼行為.程序中將臺(tái)燈的亮度設(shè)置為燈滅、小夜燈、閱讀和書寫4 種模式，分別用按鍵短按1～4 次實(shí)現(xiàn)模式切換.通過(guò)調(diào)用第三方庫(kù)Adafruit_NeoPixel，采用RGB 色彩模式實(shí)現(xiàn)WS2812B LED 燈珠的亮度調(diào)節(jié).臺(tái)燈終端向巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的MQTT服務(wù)器發(fā)布臺(tái)燈模式、讀寫距離和用眼時(shí)間三類消息，并訂閱臺(tái)燈模式主題的消息.

3 手機(jī)APP的設(shè)計(jì)

家長(zhǎng)通過(guò)操作智能臺(tái)燈的手機(jī)APP，可以連接或斷開(kāi)MQTT 服務(wù)器，查看臺(tái)燈模式、讀寫距離和用眼時(shí)間信息，以及遠(yuǎn)程控制關(guān)燈，可不受時(shí)空限制地監(jiān)測(cè)孩子的用眼環(huán)境和用眼行為.

智能臺(tái)燈手機(jī)APP的開(kāi)發(fā)環(huán)境采用WxBit軟件，它是基于MIT APP Inventor 開(kāi)源代碼優(yōu)化定制的漢化版[7-8]，集成了百度飛槳、百度語(yǔ)音、高德地圖等多種國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)質(zhì)服務(wù).智能臺(tái)燈手機(jī)APP 的界面布局如圖4所示，采用水平布局，使用的組件有標(biāo)簽、按鈕、圖像框、信息對(duì)話框和MQTT客戶端等.

圖4 手機(jī)APP界面布局

智能臺(tái)燈手機(jī)APP 的邏輯設(shè)計(jì)流程如圖5 所示.創(chuàng)建的全局變量包括：MQTT 服務(wù)器URL 地址、MQTT 服務(wù)器用戶連接私鑰和主題類型.主要涉及的對(duì)象和事件包括：屏幕初始化、按鈕被點(diǎn)擊、MQTT客戶端已連接、MQTT 客戶端連接中斷、MQTT 客戶端收到消息.各事件內(nèi)部主要采用分支結(jié)構(gòu).以“MQTT 客戶端收到消息事件”為例，當(dāng)MQTT 客戶端收到消息時(shí)，先判斷主題類型，若主題為臺(tái)燈亮度模式，則再判斷臺(tái)燈亮度模式為燈滅、小夜燈、閱讀和書寫中的哪一種，并顯示對(duì)應(yīng)的模式文本信息和圖像信息；若主題為讀寫距離，則顯示讀寫距離值，若讀寫距離小于30 cm，則彈出消息提示對(duì)話框；若主題為用眼時(shí)間，則顯示用眼時(shí)間值，若用眼時(shí)間大于1 h，則彈出消息提示對(duì)話框且手機(jī)發(fā)聲振動(dòng)；若收到的消息不為上述3個(gè)主題，則彈出“接收信息出錯(cuò)”的消息提示對(duì)話框.

圖5 手機(jī)APP的邏輯設(shè)計(jì)流程圖

4 智能臺(tái)燈的運(yùn)行結(jié)果

孩子啟動(dòng)智能臺(tái)燈終端后，可利用按鍵手動(dòng)切換臺(tái)燈的亮度模式，家長(zhǎng)的手機(jī)APP 可以監(jiān)測(cè)臺(tái)燈的工作狀態(tài)和孩子的用眼情況.當(dāng)孩子的讀寫距離、用眼時(shí)間不規(guī)范時(shí)，將語(yǔ)音播放提示信息，同時(shí)手機(jī)APP 彈出消息對(duì)話框提醒家長(zhǎng).家長(zhǎng)也可以通過(guò)遠(yuǎn)程關(guān)燈操作，間接制止孩子不合理的用眼行為，以及沒(méi)有及時(shí)關(guān)燈浪費(fèi)電能的不良行為.手機(jī)APP運(yùn)行結(jié)果如圖6所示.

5 總結(jié)

智能臺(tái)燈由臺(tái)燈終端和手機(jī)APP 兩部分組成，臺(tái)燈終端以NodeMCU 開(kāi)發(fā)板為核心，手機(jī)APP 的設(shè)計(jì)基于WxBit開(kāi)發(fā)環(huán)境，通過(guò)巴法云物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)實(shí)現(xiàn)消息的發(fā)布和訂閱.通過(guò)臺(tái)燈終端既能手動(dòng)設(shè)置臺(tái)燈亮度模式、定時(shí)檢測(cè)讀寫距離和用眼時(shí)間，并將這3 項(xiàng)數(shù)據(jù)發(fā)布至物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，又能接收臺(tái)燈模式主題消息，控制臺(tái)燈的關(guān)閉.而手機(jī)APP 既能手動(dòng)連接或斷開(kāi)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、訂閱主題、顯示孩子的用眼環(huán)境和用眼數(shù)據(jù)，又能發(fā)布滅燈消息遠(yuǎn)程控制臺(tái)燈的關(guān)閉.文中設(shè)計(jì)的智能臺(tái)燈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、界面簡(jiǎn)潔、成本低廉，硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)較易實(shí)現(xiàn)，可以作為保護(hù)孩子視力的輔助工具.因考慮到智能臺(tái)燈的開(kāi)發(fā)成本，受限于NodeMCU 有限的IO 資源，本設(shè)計(jì)未采用距離檢測(cè)精確度和可靠性更高的傳感器，后期將在提高終端控制器性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改良臺(tái)燈的功能.