基于机智云的智能台灯原型系统设计

为了提升工作和学习的健康与生活质量，设计了一款基于物联网的智能台灯。该台灯以STM32为主控，结合多种传感器、语音播报和云平台，具备视力保护、坐姿检测、久坐提醒和智能控制等功能。实验表明，该台灯可调节各项参数，能有效预防近视和驼背，具有较强的实用性和市场潜力。

 

随着信息技术的发展，台灯正朝着智能化、节能方向发展。然而，长时间的不良姿势导致的健康问题日益严重。因此，设计一款集视力保护、坐姿检测和久坐提醒等功能的智能台灯显得尤为重要。与现有的单一功能智能台灯不同，本设计结合多种传感器和WiFi模块，提供全面的健康保障和智能控制，提升了用户体验。

 

 

系统硬件设计

 

 

1、系统硬件总体设计

 

系统由微控制器、超声波传感器、光敏传感器、红外传感器、语音播报模块、WiFi通信模块、LED灯模块、电位调节器、按键、OLED显示模块、手机等模块组成。系统总体框架设计如图1所示。

 

图1 系统总体框架设计

 

系统主要实现以下4个方面的功能：（1）智能控制功能，分为3种控制模式：(1)手动模式：通过电位器调节光照强度，通过按键设置久坐提醒时间、坐姿检测阈值、学习时长阈值等基本信息；(2)自动模式：通过光敏传感器自动调节光照强度，以保护用户视力；(3)远程控制模式：通过手机APP远程控制光照调节，设置久坐提醒时间、坐姿阈值、学习时长阈值等信息；（2）坐姿检测功能，通过超声波传感器检测人体坐姿，实现不良坐姿的语音播报提醒；（3）久坐提醒功能，通过红外传感器检测用户是否久坐，并通过语音播报提醒；（4）定时提醒功能，通过设置工作、学习的定时长功能，保护身体健康。

 

 

各模块电路设计

 

 

2、主控制器

 

本系统采用基于Cortex-M3内核处理器芯片的STM32F103C8T6作为主控制器，如图2所示，为单片机最小系统电路，系统的所有开发都围绕该芯片展开。该控制器最高支持72 MHz的时钟工作频率，48引脚的LQFP贴片封装，包含64 KB的Flash，支持ADC、定时器、I2C、SPI和串口等多种外部设备，具有较高的稳定性、较强的运算速度及处理能力，并且实时性强，功耗低，价格便宜。

 

 

超声波传感器模块

 

 

用户坐姿检测功能的实现主要利用超声波传感器采集用户与台灯之间的距离实现。本系统采用HC-SR04型超声波传感器，该传感器具有3个部分：发射、接收和信号处理，其测量范围达3～450 cm。工作原理为超声波发射管脚Trig向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，碰到障碍物则立即返回，超声波接收器Echo接收到反射波则立即停止计时。由于声波在空气中的传播速度为340 m/s，则根据记录的时间t，从而计算出发射点距障碍物的距离s，即s=340 m/s×t/2。该模块与主控制器模块电路连接设计，如图3所示。

 

红外传感器

 

 

红外传感器IR主要用来检测是否有用户使用台灯，与主控制器中的定时计数器相结合用来检测用户是否久坐功能。红外传感器主要由红外发射器、红外接收器和电位器组成。其工作原理为：根据物体的反射特性，如果没有障碍物，发射的红外线会随着它传播的距离而减弱并最终消失；若有障碍物，当红外线遇到障碍物时，射线会被反射回红外接收器，然后红外接收器检测到该信号并确认有障碍物。电位器可以调节检测距离，其检测距离的范围为2～60 cm，检测角度为35°。该模块与主控制器模块电路连接设计如表1所示。

 

图2 STM最小系统电路

 

 

图3 HC-SR04超声波传感器电路设计

 

表1 IR与STM32的连接

 

语音播报模块

 

语音播报模块主要用于提醒用户久坐和坐姿检测。该模块采用JR6001语音模块，它支持MP3、WAV高品质音频格式、24位ADC输出和两线串口控制，具有4 MB存储器内存，自带3 W功放，连接喇叭。该模块与主控制器模块电路连接设计如图4所示

 

图4语音播报模块电路设计

 

WiFi通信模块

 

WiFi通信模块主要用于远程控制智能台灯。本系统借助机智云物联网平台，将采集的数据通过WiFi上传到物联网云平台，然后下载手机App，即可对下位机硬件进行远程设置控制模式和各传感器阈值等信息。

 

本系统采用的WiFi模块为ESP8266，该模块有3种工作模式：（1)AP模式，即ESP8266作为热点被其他设备连接；（2)STA模式，即ESP8266通过路由器连接至互联网；（3)AP+STA模式，即前2种的共存模式。

 

由于本系统是将WiFi模块作为物联网云平台机智云和下位机数据通信的桥梁，机智云配置WiFi有SoftAP和AirLink 2种模式。SoftAP模式是指设备本身将成为一个AP，智能手机可直接与设备进行连接，然后在手机上的界面上输入路由器的SSID和密码，设备接收到信息的时候自动尝试连接路由器，连接成功则自动切换到正常使用的一种模式。AirLink模式是指机智云对各种SmartConfig、SmartLink这种UDP广播报文方式对设备配置入网的技术统称的一种模式，该模式要求其内部SDK已经内置AirLink技术。

 

为了便于手机APP自动配置相关信息，本系统将WiFi模块设置为AirLink模式，其内置的SDK可通过机智云官网下载，然后通过串口写入WiFi模块。WiFi模块与主控制器的电路连接如图5所示。

 

图5 ESP8266与STM32的连接

 

 

 OLED显示模块

 

为了增加智能台灯与用户的交互界面，本系统采用OLED屏显示智能台灯当前的各项数据。显示屏为0.96寸的显示屏幕，该屏幕具有功耗低、体积小、视觉广、反应速度快、构造及制造简单等优势，该模块与主控制器通信方式采用IIC总线，电路连接设计如图6所示。

 

图6 OLED 显示屏电路设计

 

 

电位器及光敏电阻

为了增加智能台灯视力保护功能，设置了自动调节模式，在该模式下系统可自动调节光照强度。本系统采用了光敏电阻作为感知环境亮暗的传感器，根据光敏电阻采集的数据，自动设置光照强度，用以保护用户视力。同时，系统也具备传统的手动调节光照强度，因此，增加了旋转电位器，用于手动调节光照强度，由于电位器接法较为简单，可直接接在STM32的IO口，因此，直接将电位旋转器的控制管脚与STM32的PA4管脚相接。图7为光敏电阻电路设计。

 

图7 光敏电阻电路设计

 

 

系统软件设计

系统的软件设计包括两部分：下位机程序设计和上位机手机APP设计。由于采用物联网云平台———机智云，手机APP可直接采用该平台中的组件，该模块设计较为简单，此处不再赘述。下位机程序设计基于Keil开发环境，采用C语言编写，其流程如图8所示。下位机程序主要包括各模块驱动代码的编写及单片机内部资源中断、定时器、串口的使用。中断程序主要用于工作模式及阈值的设置；定时器程序主要用于坐姿检测、久坐、学习时长等功能；串口程序主要用于语音播报、WiFi连接等功能。

 

图8 主程序流程

 

 

测试与分析

设计实现的智能台灯系统实物如图9所示。下面分别从3种工作模式对该系统进行测试。

 

图9 智能台灯系统实物

 

 

手动模式功能测试

 

系统上电后，根据按键选择手动工作模式，设置坐姿检测距离阈值、学习时长、久坐提醒时长等基本信息。其测试结果如表2所示。

 

表2 手动模式功能测试

 

自动模式功能测试

 

自动模式与手动模式最大的区别在于LED灯光照强度的调节不需要人为操作，而是通过光敏传感器采集周围环境，自动调节光照。其测试结果如表3所示。

 

 

远程模式功能测试

远程模式是用手机APP选择工作模式，同时信息同步至OLED屏。远程模式用户可手动设置光照强度，设置坐姿检测距离阈值、学习时长、久坐提醒时长等基本信息。其测试如图10、图11所示。

 

图10 选择工作模式

 

 

测试结果表明，下位机OLED显示屏上的数据与手机APP中设置的阈值数据保持一致，且各项功能测试均正常。

 

实验结果表明，3种模式下，各功能测试均表现正常，且符合设计要求。

 

 

结语

 

本文设计并实现了基于物联网的多功能智能台灯系统，通过测试，各项功能均运行正常，符合设计要求。该系统具有视力保护、坐姿检测、定时提醒、语音播报等功能，不仅能够保证用户的身心健康，同时也提升了用户对智能化产品的体验效果，具有较强的实用性和便捷性，有一定的市场潜力，为智能家居的设计提供了一定的参考价值。

 

本设计具有以下创新点：

 

(1）将传统的具有照明功能的台灯与物联网云平台相结合，可以通过物联网云平台或手机APP远程进行查看、设置各项参数信息；

 

(2）系统中设计了3种控制方式：手动模式、自动模式和远程模式，既考虑了传统方式又兼顾了智能化方式；

 

(3）各参数阈值设定不再是在程序中固定方式，而是可以通过上位机App或下位机随时设定，既方便用户更改阈值，又可以不用再次下载下位机程序。

 

在系统功能方面，仍可以进一步探索和完善：

 

(1）由于系统可以联网，因此可以考虑加入语音识别功能，实现用户与系统的实时对话功能，使得系统更加人性化；

 

(2）可以考虑增加摄像头功能，用户可以实时监控孩子学习情况等。