智能儿童视力保护系统设计*

刘 莉，马晓鑫，张振鹏，王 伟

(北华航天工业学院电子与控制工程学院,河北 廊坊 065000)

2017-08-08

廊坊市科学计划研究与发展计划项目(2016011068);北华航天工业学院科研基金项目(KY-2016-11)

刘 莉(1991- )，女，助教，硕士，从事动态测试与智能仪器等方向的研究。

1674- 4578(2017)05- 0023- 03

智能儿童视力保护系统设计*

刘 莉，马晓鑫，张振鹏，王 伟

(北华航天工业学院电子与控制工程学院,河北 廊坊 065000)

针对当前生活中儿童用眼频繁，近距离或者长时间观看电视，或者观看光线不佳等原因造成眼睛疲劳、视力下降等问题，设计了一款监督儿童正确用眼的智能视力保护系统。通过热释电人体红外感应传感器智能检测儿童到电视的距离，环境光传感器检测环境的光线强弱，配合红外遥控模块进行观看时间控制，在一定程度上避免儿童近视和减少用眼疲劳，从而更好地保护眼睛。

智能；传感器；视力保护；儿童

在电子技术越来越发达和高度智能化的现代社会，电视、平板等电子设备在大部分家庭中都得到了普及。生活中儿童都喜欢观看和使用，但是观看距离过近、观看环境光线不佳和长时间的观看对儿童眼睛，乃至身体的健康都有一定的影响，所以儿童观看电子显示器的时候一定要讲究科学，这也是困扰很多家长的现实问题[1,2]。当前，用于儿童眼睛的监督保护的装置比较少，市面上大多数都是眼保仪，是用眼过后才针对眼部调节按摩控制来预防近视的，而且大多数是通过监护人的提醒，往往起不到长期性的保护效果[3,4]。对此，本文提出了一种智能儿童视力保护系统的设计方案。

1 系统总体结构及原理

本系统是基于智能家居的新组件,以保护儿童眼睛为目的的智能系统。通过热释电人体红外感应传感器智能检测儿童到显示器的距离，环境光传感器检测环境的光线强弱，由ST公司的STM32F103C8T6单片机作为MCU进行信息处理，当儿童处在近视距离时，或者视觉光线不佳时，或者长时间观看时进行智能控制，同时，配合语音模块进行语音提醒，配合红外遥控模块进行观看时间控制，在一定程度上避免儿童近视和减少用眼疲劳，更好地保护眼睛，其检测技术低能耗、低成本，操作控制智能化、人性化。本系统还加入了手机APP控制和显示功能的设计，通过使用Wi-Fi模块进行硬件和手机APP数据传输，控制系统的开关，显示由系统记录的电子设备使用的时间和次数和观看环境的参数。具体原理图如图1所示。

图1 系统总体结构原理图

2 系统组成

系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分由主控器，热释电红外传感器模块，环境光传感器模块，语音模块，红外遥控模块，无线Wi-Fi传输模块和电源模块等组成[5,6]。软件部分主要由控制硬件系统的移动手机APP组成。

2.1 主控器

主控制器是选用ST公司开发的STM32C8T6高性能控制器作为MCU，基于ARM Cortex(tm)-M3内核的32位闪存微控制器，其微控制器速度为72 MHz，简单小巧。

2.2 热释电红外传感器模块

热释电红外传感器主要由高热电系数的探测元件、滤光窗和菲涅尔透镜三部分组成，本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，利用热电效应原理来完成对红外辐射的感应，完成阻抗变换。

2.3 环境光传感器模块

环境光传感器模块使用的是BH1750芯片，BH1750环境光传感器内置16位的模数转换器，它能够直接输出一个数字信号，不需要再做复杂的计算。这是一种更精良的和容易使用简易电阻器的版本，通过计算电压,来获得有效的数据。这款环境光传感器能够直接通过光度计来测量。

2.4 语音模块

语音模块使用ISD4004芯片，ISD4004工作电压3 V，单片录放时间8～16 min,音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。

2.5 移动设备手机APP

手机APP主要用于显示。其是基于APICloud平台下的APICloud studio进行编程制作的。APICloud是中国领先的“云端一体”的移动应用云服务提供商。本智能儿童视力保护系统的APP界面如图2所示。

图2 APP界面

3 系统控制程序设计

本智能儿童视力保护系统运行时，首先启动人体红外检测模块，扫描近视范围是否有动态目标，将热量变化转换成电信号反馈到MCU，如果范围内发现目标，MCU将启动电机，将人体红外模块转动起来，使检测更准确目标在范围内的动静状态并启动定时器。记录目标的持续时间，当目标持续时间为2 min时，启动语音模块，将事先录好的提醒语音播放，同时向手机APP发送提示信号，并继续检测目标。如果目标离开近视区域，则MCU将回到初始状态，如果目标持续时间超过15 min，则MCU启动红外遥控模块，发出关闭显示器的载波信号，强制关闭显示器，向手机APP发送红色预警信号，并由语音模块告知已近视用眼。具体系统流程框图如图3所示。

图3 系统流程框图

4 系统设计实物

基于上述理论，在实验室环境下研制本智能儿童视力保护系统，将热释电人体红外检测模块、语音模块、红外遥控模块和无线传输模块与主控制器相连，主控制器外围还设置有环境光传感器和电源模块，主控制器通过无线传输模块与移动设备相连，具体电路控制原理图如图4所示，在该原理下设计的系统实物图如图5所示。

图4 电路控制原理图

图5 系统设计实物图

5 结语

本文设计了一种基于STM32的智能儿童视力保护系统，通过热释电红外感应传感器智能检测儿童到电视的距离，通过环境光传感器检测环境的光线强弱，配合红外遥控模块进行观看时间控制，配合语音模块进行语音提醒，并进行了相应APP软件的设计。最终，硬件和软件能够进行完美的结合，实现了上述功能，能够保护儿童视力，具有广阔的应用前景。

[1] 王敏刚.基于智能电视感知的儿童视力保护系统设计与实现.哈尔滨：哈尔滨工业大学,2016.

陈帅华.智能视力保护系统设计.智能机器人,2016(10):51-54.

王颖,王伟,孙兆东,等.基于坐姿监督的智能视力保护仪设计.电子世界,2017,5(2):189-190.

徐国平.智能感控视力保护仪的设计.武汉：华中师范大学,2013.

胡恩赐,许建明,李忠.基于单片机的视力保护装置设计.电子世界,2016,11(10):15.

张玉凤,李水莲.基于51单片机的红外视力保护仪的设计.电子制作,2015(8):7.

IntelligentDesignofVisionProtectionSystemforChildren

Liu Li, Ma Xiaoxin, Zhang Zhenpeng, Wang Wei

(ElectronicandControlEngineeringSchool,NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,LangfangHebei065000,China)

Aiming at the problems of excessive eyes using in current life for the children, including watching TV with close distance or long time, or watching it with poor light and so on which causes eyestrain and decreased vision, an intelligent design of vision protection system for children is proposed in this paper. The system uses pyroelectric infrared induction sensor to intelligently detect the distance from children to the TV, uses ambient light sensor to detect light intensity of the environment, and at the same time, uses the infrared remote control module to control the watching time. All of above avoid myopia and reduce eye fatigue in some extent so as to protect the eyes better, which has broad application prospect.

intelligent; sensor; vision protection; children

TH786；TP274.52

A