基于Wi-Fi通信的智能护眼系统设计

摘要：护眼系统可以缓解眼部疲劳且预防眼部疾病，但传统的护眼系统存在数据传输不及时、无法实时交互、硬件成本高等问题。为了解决上述问题，设计了一款基于Wi-Fi 通信的智能护眼系统。该系统以STM32 单片机为控制核心，通过多种类型传感器采集光照强度数据、超声波数据和图像数据，并利用Wi-Fi 通信实现无线传输。该系统具有数据传输及时、环境检测准确、实时交互、成本低等特点。

关键词：智能护眼；STM32 单片机；Wi-Fi 通信；环境检测；实时交互

中图分类号：TN929.5；TM923.02 文献标识码：A

0 引言

随着社会的发展和科技的进步，人们的生活和工作越来越依赖电子设备。人们长时间接触电子设备会使眼部疲劳，导致近视等诸多眼部疾病的出现，护眼设备可以缓解眼部疲劳且预防眼部疾病，但传统的护眼系统存在传输数据不及时、无法实时交互、硬件成本高等问题[1-2]。针对这些问题，本文设计了一款基于Wi-Fi 通信的智能护眼系统，其具有数据传输及时、环境检测准确、实时交互、成本低等特点，因此该系统具有重要的应用价值。

1 系统总体设计

本文设计的基于Wi-Fi 通信的智能护眼系统主要包括STM32 单片机、超声波模块、图像采集模块、光敏模块、液晶屏模块、语音播报模块、Wi-Fi 模块等。其中，超声波模块和光敏模块能够获取当前的环境数据。STM32 单片机接收环境数据并进行分析和处理，以判断当前人眼与设备的距离或者光照强度是否符合设定数值。当数据出现异常时，STM32 单片机会通过语音播报模块提示用户改善用眼环境以保护眼睛。同时，STM32单片机通过Wi-Fi 模块连接路由器，其利用内网穿透技术（一种允许用户通过公网访问自己内网设备的技术）与终端进行实时交互，监护人在终端上可以查看图像采集模块实时传输的图像。图1为基于Wi-Fi 通信的智能护眼系统工作原理。

2 硬件系统设计

2.1 核心控制模块设计

STM32F103C8T6 是由意法半导体公司（ST）生产的基于ARM 架构（一种电子产品处理器架构）的32 位微控制器，它提供了丰富的外设和功能，同时具有较高的灵活性和可编程性。STM32单片机含有丰富的通用输入/ 输出（generalpurposeinput/output，GPIO） 引脚， 可用于连接多个外部设备和传感器，同时支持通用异步收发器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）、串行外围设备接口（serial peripheralinterface，SPI）、集成电路总线（inter-integratedcircuit，IIC）等协议，还带有多个定时器，从而满足正常的使用需求且不会造成资源浪费[3]。

2.2 超声波模块设计

该模块由超声波传感器和控制电路组成，其核心是两个超声波传感器。其中，一个超声波传感器充当发射器，将电信号转换为40 kHz 的超声波脉冲；另一个超声波传感器则监听发射的脉冲，当接收到脉冲时，它会生成一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离[4]。图2 为超声波模块电路，超声波模块的管脚2 为测距操作触发脚，管脚3 为数据传输管脚。当测距操作触发后，超声波模块会自动发送8 个40 kHz 的方波，并自动检测是否有信号返回。当有信号返回时，超声波模块通过管脚3 输出一个高电平，其持续时间即超声波从发射到返回的时间。STM32 单片机从超声波模块的管脚3 接收到高电平信号持续时间，计算并得出测量距离。

2.3 ESP-8266 Wi-Fi 通信模块设计

ESP-8266 Wi-Fi 通信模块体积小并且功能全面，该模块通过串口使用AT（attention）指令进行控制[5]。图3 为ESP-8266 Wi-Fi 通信模块电路，其中，ESP-8266 Wi-Fi 模块管脚3 为数据接收脚，管脚4 为数据发送脚。当STM32 单片机需要进行数据上传操作时，ESP-8266 Wi-Fi 模块通过管脚3 接收STM32 单片机处理后的数据，再经过管脚4 将数据上传到用户终端供用户查看。

2.4 JQ8400 语音播报模块设计

JQ8400 语音播报模块支持MP3 和WAV 等主流音频格式，STM32 单片机通过串口可以向该模块发送指令来控制播放语音。图4 为JQ8400 语音播报模块电路，其中，管脚7 与管脚8 分别连接左右声道，管脚9 与管脚10 分别连接左右喇叭。当语音播报时，STM32 单片机通过管脚1 向JQ8400模块发送指令，JQ8400 模块根据指令选取存储的语音文件即可进行播放。

2.5 光敏模块设计

光敏模块采用灵敏型光敏电阻传感器，该光敏电阻传感器由于采用比较器输出，所以输出信号干净、波形好、驱动能力强，搭配可调电位器来调节检测光线亮度。图5 为光敏模块电路，STM32 单片机通过管脚4 判断光照强度是否改变，当环境光强度超过设定标准，管脚4 输出低电平；当环境光强度低于设定标准，管脚4 输出高电平。管脚1 为模拟电子信号输出管脚，其输出的模拟信号在进行模数转换后，能够使STM32 单片机获取更准确的光照强度，以便后续使用液晶屏模块进行展示。

2.6 图像采集模块设计

图像采集模块支持输出最大为200 万像素的图像（分辨率为1 600×1 200 像素），当直接输出JPEG 格式的图像时，可以大幅减少数据量，从而方便网络传输数据。根据不同的分辨率配置，传感器输出图像数据的帧率为15 ～ 60 帧/s，工作时功率为125 ～ 140 mW。图6 为图像采集模块电路，管脚6 与管脚12 为数据传输管脚，管脚8 为跳变电平信号输出脚。STM32 单片机接收从管脚8 输出的跳变电平信号后，即从图像采集模块的管脚6与管脚12 读取图像数据，然后通过Wi-Fi 模块将图像上传至终端，供用户查看。

3 软件系统设计

3.1 采集端软件系统设计

本系统采用花生壳平台搭建服务器。花生壳是一款动态域名解析软件，它能够帮助用户解析宽带运营商提供的动态IP，并且通过固定域名对家庭或公司搭建的服务器进行远程访问和远程管理。在通信过程中，花生壳软件会将用户提供的内网IP 地址与公网IP 地址进行映射绑定，用户终端只需要访问公网IP 地址，即可与STM32 单片机进行实时交互。智能护眼系统开启后，首先，系统进行初始化；其次，STM32 单片机通过Wi-Fi 模块与花生壳平台建立连接，并将数据实时显示在液晶屏模块；最后，系统将处理后的数据进行上传，供用户在终端上查看。

3.2 客户端软件系统设计

智能护眼系统的移动终端基于HBuilder 平台开发了一款简便易用的手机APP。首先通过HTML、层叠样式表（cascading style sheets，CSS） 来设计APP 的界面布局与样式，并且使用JavaScript 添加APP 的交互逻辑。当用户终端与内网设备有数据传输需求时，花生壳内网穿透软件将内网设备IP 地址与公网IP 地址进行映射绑定。当用户终端向该公网IP 地址提出访问请求时，请求会先到达花生壳服务器，花生壳服务器会对请求进行解析；然后再转发给内网设备，内网设备会将用户所需数据发送给花生壳服务器；最后花生壳服务器将数据发送给用户终端。本系统的移动终端可以在主界面对室内的人眼距离数据、光照强度数据进行实时显示。

4 结论

本文采用STM32 单片机、多种传感器和Wi-Fi模块设计一款基于Wi-Fi 通信的智能护眼系统，该系统以STM32 单片机为控制核心，使用多种类型的传感器采集室内的环境数据，分析当前环境是否适合用眼，及时提醒用户进行护眼休息。此外，采用Wi-Fi 通信技术与花生KlTdFQo857QZnDEUR9Sl5g==壳软件相结合的方案，摆脱局域网的限制，使终端用户能够实时和护眼系统进行信息交互，因此该系统具有重要的应用价值。

参考文献

[1] 付龙，胡林林，陈焱强. 基于AT89C52 单片机的智能家居护眼台灯系统设计[J]. 仪表技术，2023（4）： 18-21.

[2] 王成旭，陈燕慧，许崇阳. 物联网智能家居护眼台灯设计[J]. 电子制作， 2021，29（21）： 85-86，53.

[3] 赵德福，张楠楠，张晓. STC89C52 单片机的智能人体感应台灯[J]. 电子世界， 2021（5）：137-138，141.

[4] 王鹏涵，周丽红. 基于超声波的智能护眼灯设计[J].无线互联科技， 2022，19（18）： 32-34.

[5] 亓相涛，马凯凯，王卫国. 基于ESP8266 的智能灯光控制系统硬件设计[J]. 物联网技术，2024，14（1）：90-92，97.