基于坐姿监督的智能视力保护仪设计

大连理工大学城市学院 王 颖 王 伟 孙兆东 冯华东 程梦然 程兵兵

基于坐姿监督的智能视力保护仪设计

大连理工大学城市学院 王 颖 王 伟 孙兆东 冯华东 程梦然 程兵兵

随着现代社会电子产品的高速发展，在给人们的生活、学习、工作带来方便的同时,也相应的带来了诸多负面作用,比如长时间的用眼,导致用眼的疲劳,错误的用眼坐姿等等，都对眼睛造成了极大的伤害。如今，近视已经成为世界范围内发病率较高的眼病之一,如何保护视力已经引起了社会各界的广泛关注。在本课题研究的基于坐姿监督的智能保护仪设计中,结合计算机控制，对学生的坐姿进行姿态检测，并做相应的语音纠错提醒，从而从坐姿这一根本问题上解决预防和保护视力的相关问题。

坐姿监督；计算机控制；语音纠错提醒；预防和保护视力

0 引言

众所周知，近视眼给人们的生活带来了诸多不便，在人们越发关注眼睛的保护时，市面上也出现了五花八门的护眼产品。如背背佳产品，通过力的作用强制进行姿态矫正，导致学生的脊椎，肌肉，骨骼受到很大的伤害，所以设计以人机交互和以人为本的理念，将电子学、物理学、人体工程学相结合的智能调控设备，能够随时提醒读写者，端正坐姿，挺直腰背，养成良好的读写习惯，有效防止驼背、脊椎弯曲以及近视等身理疾病，有效的保护学生的身心健康，才符合当下时代的潮流，更适合学生使用。本款智能视力保护器应时代之所变，市场之所需，能实现上述之改变，并在主观的，人性化的，智能的操作下矫正学生的姿态，保护学生的视力。

1 系统概述

1.1 系统硬件组成

系统框图组成有电源模块，姿态检测模块，语言提醒模块，主控芯片STM32F103ZET6模块。各个模块关系如图1所示。

1.2 各模块设计

（1）微处理器模块：使用STM32F103ZET6微处理器——美国ST公司设计的使用高性能的ARM® Cortex™-M3 32位精简指令集内核的增强型嵌入式微处理器芯片。此款芯片主频为72MHZ，ARM® Cortex™-M3 是最新一代的32位RISC处理器，反应速度极快，程序存储器为512kByte，数据存储容量为64kByte，可存放大量程序，片内资源丰富，具有低功耗、高性能的特点。

（2）姿态检测模块：使用GY521-MPU6050传感器，主要组成有陀螺仪，加速度计，DMP（Digital Motion Processor）。此传感器使用了三个16 位的ADC转换芯片，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量，为了测量的准确性，用户可自行控制测量范围。芯片的通信协议采用40kHz的I2C 协议或SPI 协议，封装尺寸非常小且采用无引线方形封装方法进行封装，节省了不少体积，另外带有非常好的可编程的低通滤波器。传感器支持电压有2.5V，3.0V，3.3V，供电电压选择的不一样，精度也会不一样。另外DMP引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等负荷，还有磁力感测器校正演算技术，大大的减少了开发人员另外进行校正的需要。陀螺仪传感器检测XYZ三个方向的角速度和加速度，这些值可以是正值，也可以是负值，方向不同，值也会不同。

图1 系统硬件组成结构图

（3）语音提醒模块：采用LP-TTS模块，使用SYN 6658芯片。此芯片管脚封装为64管脚贴片式，采用台湾芯威科技 TTS中文语音合成芯片，支持中文字库 GB2312所包含的中文字发音，有不同语音可供选择。这个系统组成包括：控制器、SYN6658芯片、功放，和喇叭。工作步骤如下：通过MDK4编译程序，在程序里包含需要播放的文本，通过串口UART或者SPI将播放的的文本以一定的方式传送到语音播放芯片，语音芯片合成后通过放大电路将声音通过喇叭进行播放出来，如图2所示。

图2 SYN6658框图

（4）电源模块：微处理器的供电需要3.3V电压，用四节1.5V干电池串联产生6V的电压，通过ASM1117稳压芯片将电压控制到5V，再进一步转换到3.3V。

2 系统软件设计

2.1 系统软件组成

系统程序属于单线程运行，主要分为main主函数，语音播放函数，陀螺仪数据解析函数，陀螺仪数据读取函数，还有STM32 3.5版本的库。

主函数的作用是将这些功能组合在一块，通过逻辑判断让各个传感器和执行器件能够正常稳定的工作。其他的函数起读取传感器数据，控制执行元件正常执行的作用。

2.2 总体流程图

图3 总体流程图设计

3 系统测试

3.1 陀螺仪测量参数1

实际角度X偏差/ ° 2.5 3.0 5.7 22 -15 -60 -44 25.3测量X角度偏差/ ° 2.35 2.98 5.62 21.5 -15.2-59.5-44.5 24.5

3.2 陀螺仪测量参数2

实际角度Y偏差/ ° 2.4 3.3 6 22 -15.7 -30 -75 24.8测量Y角度偏差/ ° 2.35 3.18 5.8 22.9 -15.2 -29.5 -75.2 24.8

3.3 陀螺仪测量参数3

实际角度Z偏差/ ° 1.1 15.9 2.2 22.9 -18 60 53 27.9测量Z角度偏差/ ° 1.2 14.9 2.4 22.5 -18 59.5 52.5 27.2

说明：陀螺仪测量角度和实际角度始终有一定的偏差，偏差角度的误差。

在正负1°范围内，这样的值已经非常精确了，说明在软件滤波和算法上是非常好的。

4 总结与展望

整个系统有许多不足的地方，当然也有许多的亮点。不足的地方正在寻求更加完整的方案，亮点需要更加润色。

4.1 智能系统不足与可能完善的地方

（1）在电源的选择时为了快捷有效，选择了生活中常用的干电池。此方案的缺点一是体积太大，在安装放置的时候不好控制，二是电压的供电不是很稳定，需要经常更换电池，还有电池更换后会污染环境。优点是可以方便携带，体重轻，如有损坏，更换非常的方便。（2）在软件的程序编写时，语音播放模块必须得加上合适的几秒延时才能使语音播放完整的进行，这使整个的运行速度大大的降低，还会有一定的滞后性，这部分问题的解决需要加上操作系统进行多线程处理。

4.2 智能系统优点

（1）语音提醒声音非常的清晰柔和，而且男声女声可以选择。（2）陀螺仪在姿态检测时数据非常的准确，角度和加速度值通过算法校正后非常的精确。

[1]陈炜．简易青少年视力保护器的设计[J]．科技展望,2015(33):87．

[2]李骁,王彬媛,王振中,刘炳言,李昱钊,张黔．基于STC89C52单片机的视力保护器设计[J]．电子世界,2015(19):160-162．

[3]王铁流,秦璐璐,李宗方,高嵩．基于STM32嵌入式系统的智能控制网络终端设计[J]．电子元器件应用,2009(06):13-17．

[4]亢凤英．培养学生坐姿、笔姿思考[J]．学园,2014(22):104．

[5]李臻贞,王璐子．基于51单片机的坐姿提醒仪[J]．信息技术与信息化,2015(9):59．

[6]蒋茵帜．学生良好坐姿的养成策略[J]．小学科学(教师版),2013(12):260．

孙兆东，男，现就读于大连理工大学城市学院电子与自动化学院。

冯华东，男，现就读于大连理工大学城市学院电子与自动化学院。

程梦然，女，现就读于大连理工大学城市学院电子与自动化学院。

程兵兵，男，现就读于大连理工大学城市学院电子与自动化学院。

Design of intelligent vision protector based on sitting posture supervision

Wang Ying，Wang Wei，Sun Zhaodong，Feng Huadong，Cheng Mengran，Cheng Bingbing
（City Institute，Dalian University of Technology，Liaoning 116600，Dalian，China）

with the rapid development of modern electronic products，learning to people's daily life，work，brings convenience，also brings many negative effects，such as long time with the eye，causing eye fatigue，the wrong eye position and so on，all eyes now caused great harm. Myopia，has become one of the high incidence of disease in the world，how to protect vision has aroused widespread concern in the community. In this research based on intelligent protection instrument design supervision in the sitting position，with computer control，the students sitting posture detection，and voice correction corresponding to remind，to sit from Pose a fundamental problem to solve the problem of prevention and protection of vision.

sitting supervision；computer control；voice error correction reminder；prevention and protection of vision

王颖（1979—），女，大连理工大学城市学院电子与自动化学院讲师。

王伟（1994—），男，现就读于大连理工大学城市学院电子与自动化学院。

辽宁省大学生创新创业训练计划项目基金支持（编号：20150290）。