基于人体健康监测的智能书桌设计与研究＊

2020-07-13谭等泰靳娜维

甘肃科技 2020年2期

杜伟，谭等泰，冯伟，靳娜维

（甘肃政法大学公安技术学院，甘肃兰州 730000）

在日常学习和工作中，书桌是我们的必需品，它不仅仅是家具更是解决问题，创建想法和构建业务的地方，而且至少伴随我们度过一天中三分之一的时间。但久坐于书桌前又会导致眼部、颈部及腰部等疾病，极大的影响了学习及工作的效率，给生活带来诸多不便。根据国家教育部、卫生部近年来的一项调查显示，目前，我国中小学生眼睛近视率居高不下，且呈逐年快速上升的趋势。青少年在成长过程中，在学校学习、写作普遍需要长时间静坐，放学回家后又需要伏案写作业，平时休息的时候又坐在桌子前玩电脑，每天都是在久坐的情况下生活。除了天生有缺陷的人外，大多数人的脊柱是呈正常状态的，长期坐姿不良导致含胸驼背的情况普遍存在。

近年来，随着移动互联网络的普及和智能家居产品的快速发展，吸引了越来越多的人关注它所带来的种种裨益，其中就包括智能书桌对于人体健康的影响。2013年9月由曾任职苹果公司和迪斯尼乐园的工程师成功设计完成了首款名为“Stir inect”的智能书桌，此产品使用嵌入式触摸屏控制，通过深度关注用户，使其在工作时更轻松，更整洁。虽然此款书桌设计出众，但接近三万的价格让很多人都趋之若鹜。后来其他设计师陆续推出各种类型的智能书桌，由此发起了国内外开发者对此类项目的研究热潮。2015年6月，广州世麦信息科技有限公司研发设计了“黑脸智能书桌”，该书桌集成多种传感器实现了智能办公的目的，其产品主要是针对高级商务办公设计的。2016年8月一款名为Gaze Desk的智能书桌在Kickstarter上发起了众筹，这款书桌通过蓝牙，能够与家中其他智能设备同步，设计团队共推出了六种不同的款式设计，满足不同客户的需求。也有许多设计师设想了未来智能书桌的发展方向，如瑞典宜家家居对未来概念厨房中的桌子的概念设计，兼具了从食材分类到桌上烹饪的许多功能，未来科技感十足。就目前来看，智能书桌产品发展潜力巨大但研究缓慢，而且人们的消费观和消费能力并不充分。对于智能书桌的开发，国内外学者都提出了一些设计方案，这些方案大多基于微型处理器的控制，通过WIFI、蓝牙、ZigBee等通信模块完成设备之间的无线组网以及人机交互[1]。

本设计以STM32F103系列单片机为核心微控制器，设计了一款多功能智能书桌,用户可通过桌面终端，随时获取到书桌周围的温湿度、光照情况，可通过桌面高度记忆模式来手动或者自动调节桌面高度，对调节学习环境、预防青少年近视率、儿童脊柱弯曲、驼背有一定的辅助效果。

1 系统概述

本智能书桌采用嵌入式操作系统和WIFI无线组网设计和实现，本设计有很强的实时性和拓展性[2]。采用STM32F103zet6作为微处理芯片，配置OLED显示屏进行交互显示；通过红外人体感应模块，实时监测有无使用者的出现来控制外置LED节能台灯的开关；通过光敏传感器采集的光照信息自动控制台灯亮度；通过温湿度传感器实时监测，获取到周围环境的空气质量[3]；通过三轴加速度传感器判断书桌桌面倾角状况；通过WIFI模块连接互联网，与中国移动公司开发的线上OneNET物联网开放平台互联控制，通过对上传到云平台的大数据分析，了解个人使用习惯，对出现的问题进行有效的针对性处理，以期达到更舒适、更便捷、更健康的学习工作状态。本文提出的智能书桌的硬件结构，根据功能大致可分为以下几个部分：系统主控模块、输入模块、输出模块等。智能书桌总体结构设计示意图如图1所示。系统的主控制模块作为整个系统的“大脑”，对输入设备采集的信息进行分析和判断，根据控制算法做出控制决策，驱动输出装置完成对智能书桌的自动控制。通信模块将外设采集的环境温湿度、光照强度、书桌倾角数据、指示灯状态等数据上传至OneNET云平台，通过图表的方式在网页中直观显示数据。当温湿度或倾角数据超出阈值时将自动给预先指定的邮箱发送邮件提醒，并通过蜂鸣器警报提醒。

图1 系统结构图

2 各模块的算法设计与实现

2.1 桌面升降系统

对于可升降式书桌，可以随时改变高度且精准控制及其重要。本设计选用乐歌公司生产的升降桌，通过二次改造与主控芯片连接，通过按键可以实现桌面高度的上升、下降。桌面升降系统选用步进电机作为动力来源，步进电机利用电磁学原理将电能转化为机械能[4]。参考大量资料发现，小型升降式系统通常选用步进滑台和步进电动推杆。步进电动滑台是直线滑台的一种，推力小、速度慢、噪音大、行程也不能很长，常用作工业机械手、XYZ轴机械手、坐标轴滑台等。步进电动推杆是步进电机与丝杆一体化设计的模块化产品，可长时间工作，实现高强度、高速度、高精度定位、平稳运动、低噪声。工作原理是将步进电机的旋转运动转换成直线运动，同时由于步进电机自身的特性可以做到精确控制高度、速度、精度[5]。

2.2 SHT20数字温湿度传感器

温湿度传感器种类繁多，不同的产品工作地点、工作时长、工作环境都有很大的差别。当环境温湿度不理想时，肯定会影响工作和学习的质量，智能书桌通过实时监测周围环境的温度、湿度的变化情况，实时提醒使用者注意周围环境的情况，当温度值过高，超过预先设定的阈值时，进行声光报警，并在指定邮箱下发邮件提醒。书桌一般在室内放置使用，条件要求简单，综合考虑使用SHT20数字温湿度传感器。SHT20数字温湿度传感器基于数字传感技术，具有较高的可靠性和长期稳定性。另外，它具有体积小、响应快、能耗低、抗干扰能力强、性价比高等优点。考虑到可能发生的意外情况，当监测温度超过40摄氏度时（特殊工作环境可以设置不同的阈值，量程在-40℃-125℃），认为当前温度不适合再继续正常工作，发出声光报警提醒[6-7]。温湿度监测工作流程如图2所示。

图2 温湿度监测工作流程

2.3 红外人体感应模块

在正常的学习和工作中，人们保持高度集中的时间因人而异，经过培训后，最多不超过一小时，对于未成年人来说，高度集中的时间较少，一般在20～30min内。学习一段时间后，适当放松，做一些体育锻炼，听听音乐等等，这样精神才能得到有效的调整。本设计拟设定40min的阈值，当学习工作时长达到设定值后启动声光提醒，在设计初期考虑的方案有两种：一种使用软件时钟计时器，当使用者按下学习工作键开始计时，时长达到阈值后自动声光提醒。另一种使用红外人体感应模块和时钟计时器结合，当红外传感器检测到有使用者后再开始计时，时长达到阈值时自动声光提醒。结合实际情况，在工作时有可能会短暂离开书桌，第一种方案有所欠缺，最终选择红外和计时器相结合的方式。本设计选择E18-D80NK红外感应传感器来实现智能书桌对使用者的检测。E18-D80NK是集发射和接收为一体的光电传感器[8]。由于红外光自身的属性，不同颜色的物体对于红外光的反射不同，所以可以探测到的最大距离不同，白色物体的探测距离是最远的，黑色物体的探测距离是最近的。红外探测到的人体距离可根据实际测试要求，通过尾部的电位器旋钮进行调节[9]。如图3所示为红外感应模块的管脚图，三根引线分别是红色（正极），绿色（负极），黄色（信号）。

图3 红外感应模块管脚图

2.4 ADXL345三轴加速度模块

ADXL345三轴加速度传感器是利用加速度的基本原理，实现将加速度转化位移值，再转化为相应角度值。加速度是物体速度的变化率，速度是同一物体的位置变化的速率。换一个角度来说，速度的导数是加速度，位移的导数是速度，因此可推导出公式（1）：

积分和导数相反，如果一个物体的加速度是已知的，那么我们可以对加速度求一重积分得到速度值，再对速度进行一重积分得到位移值，即对加速度二重积分来得到物体的位移值。假设初始条件为0，则有公式（2）：

三轴加速度传感器由于自身硬件所致，在检测过程中会出现位移漂移、数据波动较大等现象，导致在处理数据的过程中有异常信号干扰的情况，所以首先要对收集到的信号进行数字滤波。低通滤波是消除加速度计中信号噪声 (包括机械噪声和电子噪声)的一种很好的方法。为了减小信号在求二重积分时的大部分误差，必须降低噪声干扰。对采样信号进行滤波的一个简单方法是平均值算法。通过多个采样值求取一组采样的平均值，然后对平均值进行二重积分获得最终的角度数据。采样值过多可能造成数据的丢失，而太少又会出现计算结果波动大，不利于后期处理显示。本设计通过实际测试，最终选择以200个采样值为一组，计算结果在OLED屏幕中显示X、Y轴的偏离角度。

2.5 光照控制模块

良好的照明条件不仅有利于学习工作，而且眼睛可以免受过强的非自然光照对于眼球的刺激和伤害。对于控制LED灯由暗到亮或由亮到暗，采用PWM(脉宽调制)法，PWM调光信号是数字的，如果把导通时直流供电值标注为1，即高电平状态，把断开状态下标注为0，即低电平状态，那么在一个周期T内持续导通的时长为一个周期二分之一的时间，那么它的占空比为50%。

通过GY-30光照传感器,将智能书桌当前的光强信息通过主控模块处理分析，当光照强度低于50Lx时候，开启灯光，此时照明亮度最低，达到阈值开启条件，随着时间推移夜晚降临，照明亮度逐渐加强，最终达到额定功率。通过PWM波自动控制灯光照明系统，提供最优的光照亮度，保证使用者在工作、学习时的优质视觉体验。GY-30实物如图8所示。LED灯亮度调节的具体工作流程如图4所示。

图4 LED灯亮度调节流程

2.6 桌面显示系统

桌面显示系统将输入模块采集的信息经单片机处理后完成人机交互的作用。OLED显示屏无需背光、显示单元能自发光，可视角度大于160°，低功耗，价格亲民，OLED显示屏应用于多种场合，开发者也首选OLED作为显示装置。选用0.96吋显示屏分别显示智能书桌当前状态、温湿度值、倾角数据、光照强度。由于显示屏尺寸较小，显示数据较多，综合考虑采用多屏显示。桌面显示系统如图5所示。显示流程如图6所示。

图5 桌面显示系统

图6 显示流程图

2 软件系统设计

在一个成熟的智能系统中，硬件好比是躯体，软件好比灵魂。在进行微机控制系统设计时，除了系统的硬件设计外，更多的工作是如何根据每个具体对象的实际需要来设计应用程序。单片机应用系统由硬件和软件共同完成任务，只有将两者紧密结合，才能形成高性能的应用系统。在设计过程中，必须相互适应，相互配合，才能达到最高的应用效果。

本设计基于已有的OneNET开发平台demo代码进行二次开发。通过实时操作系统管理应用任务，实现智能书桌高度控制、环境温湿度监测、自适应光照、数据上传、倾角检测、状态显示等功能。在系统框架设计初期，首先需要分析各模块所实现的功能，对阈值的处理有些需要实际测试才比较准确，例如光照传感器返回的光强度信息，在控制灯光照明亮度的处理中，经实际测试，当光强度低于50Lx时开启灯光效果最佳。任务管理程序流程如图7所示。

图7 任务管理程序流程图

3 系统调试

本设计采用STM32作为主控芯片，遂使用Keil软件。Keil软件是专为单片机开发而做的C语言开发系统。在国内，这款软件被大多数学习者、开发者所青睐，它集成了丰富的库函数和强大的集成工具，通过在线调试工具可以更加快速、便捷的梳理程序。中移物联网平台于2015年成立，至今已经积累了不少成功案例，平台的开发也趋于完善，中移OneNET开发平台在设计初期就针对性的对接入模式做了优化，以更快速更简洁的方式接入平台。基于中国移动公司对于物联网卡的设计和销售，此平台在业内也很受欢迎。整个物联网开放平台通过设备—云—用户的连接模式进行开发，通过对单一设备或多个设备的网络连接，在云平台管理数据，通过个人PC、手机等终端获取设备信息，整个架构简洁、轻快，更为开发人员提供了很多模块化的接口，方便后期开发和维护。物联系统示意图如图8所示。

图8 物联系统

通过对网关的配置，使智能书桌系统通过WIFI模块连接中国移动OneNET物联网开发平台，进行数据上传即可实现远程数据监控和大数据分析。首次注册后，云平台会给用户分配一个独一无二的API_KEY，下线设备只有正确匹配此API_KEY，才能够将数据正确上传到指定的账号。如图9为成功接入中国移动OneNET物联网开发平台。

图9 接入中国移动OneNET物联网开发平台

上传至云平台的数据有温湿度数据、倾斜角数据、光照强度数据、设备指示灯数据。在云平台智能书桌设备下创建独立应用，将上传的数据流与每一个应用链接，即可显示在线设备的监测数据。智能书桌空气质量检测数据、桌面倾斜角检测数据均采用仪表盘和折线图表示，由仪表盘数据可以清晰的看出数据当前的范围，通过折线图数据可以分析一段时间内数据的变化情况，而且也可以从侧面反映出信息的处理情况，如图10、图11所示。

通过图11可看出桌面倾斜角数据在18：45之前基本变化保持在1度以内，具体书桌桌面角度则保持静止状态。在18：45之后手动调整了桌面角度，先将桌面前部抬高，后将桌面后部抬高。由图分析可看出45分之后桌面与X轴角度一直保持不变，而桌面与Y轴的数据迅速改变，由0度变化为-10度，又由-10度变化为6度，与实际变化相符，说明数据的处理和上传均正常。

图10 智能书桌空气温湿度数

图11 智能书桌倾斜角数据

光照数据在处理过程中发现波动变化较大，对于LED灯亮度的变化采用PWM波来控制，波动较大的光照数据，控制台灯亮度的结果就是忽高忽低，在一个系统中，最重要的条件就是稳定，通过反复测试，最终采样200个数据求平均值做为一组数据的采样结果，再进行后期的数据处理，这样做数据波动明显减小，亮度控制也更为合理。智能书桌光照数据如图12所示。

图12 智能书桌光照强度数据

由于云平台上传机制的限制，数据刷新频率最短时长为3s，通过查询后台记录可以看到上传至今的所有历史数据，以光照强度数据为例，数据以折线图显示。由图12可看出，在5点48分时刻，当前室内光照强度保持在257上下。折线图趋于平缓，没有数据异常点，表明数据滤波情况正常，数据上传正常。光强值历史数据如图13所示。