智能眼镜设计

吴倩倩，余正发，欧元博

（安徽理工大学，安徽淮南，232001）

电子设备早已成为我们生活中不可替代的一部分，但过度使用电子设备会对我们的视力健康产生威胁。早在2018年，全国儿童青少年近视率就已经达到了53.6%。其中，中学生近视率甚至达到了75%以上。但由于目前社会近视治疗体制不够健全，技术设备不够成熟，预防保健便成了目前保护国民视力健康的唯一途径，这就使得眼镜市场成为了一片广阔的天地[1]。而科技的发展在使眼镜功能的到拓展的同时，也满足了当前广大消费者对产品功能多元化的需求心理。因此，智能眼镜运应而生。本款智能眼镜在已有的智能眼镜功能的基础之上，特别增加了疲劳检测系统和智能语音播报系统，与冷冰冰的机械产品相比更能让用户感受到科技的温度。

1 系统设计

系统整体结构图如图1所示，本设计由疲劳监测系统、语音播报系统、语音交互系统、GPS定位导航系统、WiFi无线通信系统组成。其中，STM32单片机作为整个系统的核心控制，通过与外围电路的配合来实现不同的功能。VisionSeed模组、WiFi无线通信模块、语音模块构成疲劳监测系统。MP3模块和STM32的配合构成语音播报系统。WTK6900G-24SS语音识别芯片与主控芯片的配合构成语音交互系统。GPS模块、STM32单片机构成GPS定位导航系统，同时还设有按键模块解决特殊情况的紧急报警功能。通过在镜片基板中加入微晶卤化银来实现镜片变色功能，以适应不同场景下用户的佩戴需求，使眼镜兼具太阳镜的功能。

图1 系统框架图

1.1 疲劳监测系统

随着社会的发展，人们的生活节奏越来越快，这种节奏下的生活更加让人们产生疲劳感。为了保证人们的工作效率，现设计一款具有实时跟踪用户面部并进行语音提醒功能的系统，在保障驾驶员安全驾驶、学生课堂听讲、上班族高效率工作等方面有着重要的现实意义。

该疲劳监测装置系统主要由STM32单片机、VisionSeed模组（内含：RGB、IR双摄像头（OV9782）闪迪16GB存储芯片、全志AXP15060芯片、USB或UART接口）、MP3语音报警模块、WiFi无线通信主控模块等组成。通过VisionSeed模组获取用户面数据后，经过单片机的处理，如监测要用户发生疲劳，通过MP3语音模块进行报警提醒。

图2 疲劳监测系统

本系统对面部数据的采集分析，主要采用灰度投影法。通过对采集到的图像进行比对，计算不同图片之间的相似度，然后进行图像投影，最后根据阈值分割或边缘检测定位的方法提取人的面部特征参量。本设计根据返回的关键点坐标建立直角坐标系，通过上下关键点和左右关键点的信息提取建立眼睛大小标准值，比对测量的眼睛面积后得出 PERCLOS 值。

PERCLOS 值是卡内基梅隆研究所经过研究，提出的度量疲劳的物理量。其定义为单位时间内（一般取1min或者30s） 眼睛闭合一定比例 （70%或80%） 所占的时间，满足下式时就认为发生了瞌睡，PERCLOS 值的计算公式为：

经资料得出，当疲劳阈值为0.4的时候P80标准比P70 标准更加符合用户疲劳监测的标准。所以，本设计采用P80标准（P80标准：瞳孔被上下眼睑覆盖的面积超过80%所占的时间比例）。通过对已存有的API进行人脸识别，在完成对人脸关键点数据的实时监测后，根据不同用户面部特征量，计算出 PERCLOS 的阈值[2]。同时，为了保证阈值的可靠性，用户在使用过程中系统同步进行数据的更新，从而实现数据的实时调整。如果发现监测数据超过计算的疲劳阈值，则发出警报，从而达到提醒驾驶员的目的；如果监测数据未超过原定阈值，则对数据进行保存处理。

在此基础上，还设计了云端监测应用和手机APP软件，可将监测的面部信息通过WiFi上传到云端，并通过Internet将数据传输至手机APP，并根据采集的数据分析疲劳程度，然后在手机APP界面上为用户制定合理的休息计划。 同时由于当今社会的人更加注重健康，在对该APP设计的同时，还具备通过分析实时监测的数据，为人们的健康提出建议[3]。

1.2 语音播报模块

经调查，一部分人对机器播报有排斥心理，从而语音提醒达不到应有的效果。本设计为了迎合大众的需求，用户使用时可以根据个人情况，自行更改提醒内容或者提醒方式，通过运用提前录入的语音进行提醒播报。语音提醒模块系统以STM32单片机为核心控制芯片进行电路的控制，负责录音和放音两种设置，对于系统中断命令的响应和对外部存储器RAM进行读写的操作[4]。用户再通过初始化后，将个性化语音模拟信号转换为数字信号，并存储到EEPROM。当监测模块监测到用户出现疲劳症状信号时响应中断请求指令，进而调出数字信号并转换为模拟信号输出到MP3模块，进行播报。同时，用户的家人可以通过下载手机APP 接收Internet传输至手机APP的数据，进而排除了家人对用户的担忧[5]。

1.3 语音交互系统

语音识别模块主要使用WTK6900G-24SS语音识别芯片。该芯片具有的可靠性高、通用性强、唤醒识别率高、可唤醒的距离长、误唤醒率低、语音控制指令条数丰富、抗噪音能力强、响应识别时间短，可纯离线识别等特点，使语音交互系统的运用更加满足用户的日常需求。基于这些优点，该芯片在眼镜上的应用能提高用户的体验感。语音芯片识别后数字信号借助交互平台输入语音系统，经过STM32的控制后，将数字信号转化为声音信号后通过扬声器进行语音播报。

图3 语音提醒系统框图

1.4 智能GPS导航播报系统

该系统主要由GPS模块、STM32单片机、语音模块组成。GPS模块使用AT6558R定位芯片，该芯片能够同时支持多种卫星导航系统，包括中国的BDS，美国的GPS，俄罗斯的GLONASS，并实现多系统联合定位。GPS通过串口与STM32进行通信，进而能够实现播报导航信息的功能。根据GPS 定位信息的采集能得到用户到目的地的预估时间和最佳路线。同时，用户在使用这部分功能之前，需要自行下载地图软件。GPS 模块与电子地图的配合进而实现用户导航的功能[6]。GPS 定位装置设置在眼镜架腿中，可以提高眼镜整体的美观度。

图4 GPS定位导航系统框图

图5 按键连接原理图

1.5 紧急报警模块

通过在眼镜架上设计一个小型紧急按钮当用户遇到紧急情况时，可通过特定语音指令或者紧急按钮在发出报警信号。

1.6 镜片变色功能

为了满足用户在不同场合下的要求，对智能眼镜的镜片进行了设计。通过在镜片基板中加入微晶卤化银来实现眼镜能够根据紫外线的强度变色[7]。在光照强度大的情况下，镜片内部的卤化银分解，生成的黑色的银颗粒均匀分散在镜片上，使得镜片变暗，从而达到太阳镜的使用感；当光照强度变弱的时候，镜片内部反应逆转，又恢复原来的颜色状态。这种设计使传统眼镜兼具太阳镜的功能。

图6 紧急报警系统流程图

2 结束语

随着社会的快速发展，加速了人们的用眼需求。各个年龄阶段的人都对眼镜有所依赖，这给眼镜行业带来了很大的创新空间，不同于传统的眼镜，由于现如今的人们对高质量生活的追求，眼镜也应该随着科技的进步而有所改进。为了迎合人们的需要，本设计中的智能眼镜具有疲劳监测系统、GPS导航定位系统、智能语音识别系统、语音播报系统等系统构成，同时还能够适应不同环境下的变色，从而增加用户的体验感和舒适感。

目前，中国智能眼镜行业的发展相对缓慢。市场上的眼镜仍然以功能单一的传统眼镜为主，智能眼镜的普及率还很低。就眼镜的设计而言，智能眼镜的设计既要满足用户的日常需求，还需要满足用户的佩戴舒适感。所以，智能眼镜的售价普遍高于传统的眼镜，行业整体处于发展初期状态，尚未在市场得到大量应用。但是伴随着科技的不断进步，智慧化产品市场化的同时，眼镜行业的发展会越来越好！让人们在快节奏的生活压力下，在科技的便利下，生活的质量越来越高！