智能台灯论文第五篇：多频采光智能矫姿护眼照明设备的应用需求开发
摘要：随着用户对智能照明设备要求的不断提升，目前市面上的照明产品已难以很好地满足智能家居的应用需求。设计一款以ESPS32芯片和Jetson Nano为主控的多频采光智能矫姿护眼照明设备，将红外人体检测、多频采集光线强度、智能调光及坐姿识别等技术集于一体。采集外界环境光线后通过PID控制算法得出当前环境最佳光线的调节方案，以达到护眼效果；通过Jetson Nano板载摄像头实时检测用户坐姿，在检测到不良坐姿时通过语音提醒用户端正坐姿。设计的设备操作简单便捷，运行安全稳定，应用广泛，低功耗、高性能，具有一定的应用价值。
关键词:智能台灯; ESP32;多频采光; Jetson Nano;姿态识别;
Abstract：With the continuous improvement of users' requirements for intelligent lighting equipment, the current lighting products on the market can not better meet the application needs of smart home. A multi-frequency lighting intelligent orthopetic eye protection lighting device was designed with ESPS32 chip and Jetson Nano as the main control, which integrated infrared body detection, multi-frequency light intensity acquisition, intelligent dimming and sitting pose recognition technology into one. After collecting the external environment light, the best adjustment scheme of the current environment light was obtained through the PID control algorithm, so as to achieve the effect of eye protection. The Jetson Nano on-board camera was used to detect the user's sitting posture in real time, and when bad sitting posture was detected, the sitting posture could be corrected by voice reminder. The equipment is simple and convenient to operate,safe and stable operation, widely used, low power consumption, high performance, has a certain application value.
0 引言
随着现代科学技术的不断发展，生活用品的智能化程度也越来越高，人们对家居物品的人性化、智能化设计要求越来越高[1]，智能台灯属于智能居家大架构成员，传统的单一亮灭的照明方式逐渐被智能照明设备所替代。当前，学生学习时间较长，其间会存在驼背、低头、坐姿不正、眼睛距离桌面和纸张越来越近等问题，眼睛使用频率高，容易造成眼疲劳。长此以往，用户会出现驼背、脊柱不正、颈椎病等疾病[2]。于是，智能台灯的发展也越来越受迫切[3]。
本文设计的多频采光智能矫姿护眼照明设备，采用光感器件采集当前周围环境亮度后通过主控计算得出最佳的光线方案，最后对LED灯组亮度进行调节，从而对使用者达到护眼抗疲劳效果。该设备通过摄像头实时检测用户的坐姿，当用户坐姿与标准坐姿偏差超过阈值时，系统会进行语音播报提醒用户端正坐姿。同时，该设备接有人体红外传感器，若使用者离开台灯过久则会自动熄灭，从而达到节约能源的效果。
1 系统硬件架构及总体设计方案
系统分为硬件设计和软件两部分。硬件部分由ESP32、Jetson Nano、LED护眼灯组、OLED屏幕、热释电红外传感器、光感热感传感模块、语音模块及电源模块组成；软件部分由ESP32对各外围模块的驱动程序、多频采光程序、PID智能调光算法和Jetson Nano的人体坐姿检测算法组成。该设备可实现红外人体检测、多频采集光线强度、智能调光、坐姿识别及语音提醒。系统硬件架构如图1所示。
图1 系统硬件架构
2 系统硬件设计
2.1 ESP32
该芯片是一款高集成度、高性价比、功耗超低、主打安全的单核Wi Fi So C，其除了含有CPU外，还集成了2.4 GHz Wi Fi、蓝牙模块、丰富的I/O口[4]。ESP32在本项目产品中担任系统主控的工作，通过SPI/SDIO或I2C/UART接口控制外围电路，通过实时操作系统，多线程与外围模块进行通信。ESP32可选择多种频率对外进行采光和测温，以及处理数字信息并计算出当前最佳的调光方案。ESP32接收Jetson Nano对坐姿的判别结果并进行语音提醒。ESP32最小系统如图2所示。
图2 ESP32最小系统
2.2 Jetson Nano
Jetson Nano开发板装载4核Cortex-A57CPU,GPU选用规模最小的Maxwell架构显卡，有128个CUDA单元，配备了4 GB LPDDR4内存[5]。因此可通过其实现图像识别、对象检测和定位、姿势估计、智能分析等强大功能。
在本项目中，Jetson Nano搭载Dlib人脸识别库，通过检测68个人脸特征点进行姿态分析。采用经典的梯度方向直方图提取+线性分类器+图像金字塔+滑动窗口的人脸检测方法进行坐姿识别，分析产生的结果通过GPIO转换成相应的电平信号发送给ESP32单片机，最终由ESP32进行对用户的矫姿提醒。
2.3 采光模块
PCF8591芯片是一款低功耗的8位CMOS数据获取模块，有4个模拟输入端口、1个模拟输出端口和1个串行I2C总线接口[6]。本设计通过ESP32与该芯片进行IIC通信，配合光敏电阻搭建的外围电路能够实现以多种频率精确地采集外界光线强度并转化为数字信息，再将其数字信息交由ESP32进行下一步的智能调光操作。采光电路如图3所示。
图3 采光电路
2.4 照明模块
照明设备调光可通过PWM脉冲宽制进行调节或直接对灯源功率进行调节。短时间内使用采用传统PWM调光的照明设别用户不会出现明显不适，因为灯源的闪烁频率比较高以至于人眼感觉不出来，但长时间使用会使用户产生眼睛疲劳。该设备利用主控ESP32的模数转换功能对灯组输入电压进行调节，但ESP32的I/O口最大输出电流较低，驱动能力较差，因此需对其进行功率放大的电路设计，从根本上解决了光源处频闪和驱动能力不足的问题。经过优化后，该方式输入功率平稳，通过智能调节可获得满足工作学习需求的舒适的光线环境。同时，冷暖光灯珠隔行排布，使两种光源能更自然地混合，以达到护眼、抗疲劳的照明效果。光源功率放大电路如图4所示。
图4 光源功率放大电路
2.5 显示模块
为了让用户直观地看到当前的环境温湿度，选用类似于点阵屏的OLED显示屏。OLED显示屏具有构造简单、自发光不需背光源、能耗低、对比度高、厚度薄、抗振荡、视角广、反应速度快、使用温度范围广等优点，显示稳定且效果好[7]。在本项目产品中作为人机交互界面，可显示当前环境的温度、亮度、手动调节下灯的亮度等级、当前时间、设备工作状态等。OLED屏显示电路如图5所示。
图5 OLED屏显示电路
图6 人体感应电路
2.6 人体红外感应模块
HC-SR501人体红外感应模块，该模块采用德国原装进口的LH 1778探头，敏锐性高、操纵性强[8]。广泛应用于各类自动感应电器设备，其应用与本产品低功耗、节能环保的设计理念相符，因此本项目采用该人体红外感应模块，当人在使用范围时，台灯会正常工作。当人离开台灯感应区域，在一段时间后会进行提醒并关灯，若长时间未关灯，设备会自动关灯来防止电量的浪费，以达到节能环保的效果。人体感应电路如图6所示。
2.7 语音播放模块
DY-SV17F语音模块如图7所示。集成I/O触发、串口触发与ONE-line单总线触发3种模式，可通过USB数据线连接电脑更改音频文件[9]。设计中采用该模块存储音频文件并驱动喇叭对用户进行矫姿提醒。
2.8 电源模块
2.8.1 18650锂电池
18650锂电池为产品提供后备电源，在断开外部供电的情况下，由锂电池进行供电，为设备实现长时间续航。
图7 语音播放电路
2.8.2 不间断电源模块
该模块有充电升压放电集一体的功能，由Microusb进行电压输入，升压后对本设备进行供电，并且对18650锂电池进行充电操作。电源模块电路如图8所示。
图8 电源模块电路
3 系统软件设计
3.1 系统总体流程
本文设计的台灯有智能和手动两种模式。系统初始化后默认进入智能工作模式，用户可选择切换至手动工作模式，人工控制台灯的亮度及开关。智能调光模式下，系统对外界光线强度进行采集后对灯组进行智能调节，摄像头检测到用户坐姿长时间不端正，会对用户进行语音提醒，台灯配置的人体红外感应模块长时间没有检测到人，会自动关灯，实现能源节约。系统总体流程如图9所示。
图9 系统工作流程
3.2 多频采光
设备启动后，ESP32与PCF8591进行IIC通信，ESP32设备以默认频率向PCF8591发送采光指令，PCF8591接收到ESP32发出采光指令后对采光电路进行电压模拟量采集并将其转换为数字信号，再将其数字信号发送回ESP32，等待ESP32进行下一步处理操作。设备预设默认采光频率，用户也可根据自身工作环境需要重新设置采光频率。越高的采光频率意味着设备的采光性能愈灵敏，而越低的频率能达到愈佳的低功耗效果。
其主控通过Arduino ide进行开发编程，通过此方式进行开发，有着诸多好处，如：程序编译难度不高，代码维护简单方便，运行内存占用率低，外设驱动开发封装库齐全等。图10所示为Arduino ide开发环境下，ESP32发送采光命令和接受数字信息的过程。
图1 0 采光工作流程
3.3 智能调光
办公学习离不开光源，光源的类型也有很多，不同的场合有不同的光线需求，3 000 K的色温显得周围环境比较温馨，使人比较昏昏易睡；4 500 K的色温周围环境比较温和，适合大多数的场合使用；6 500 K高色温环境下视疲劳程度更高[10]。所以，选择一种合适色温的灯光和光强既可以提高工作的效率也能保护眼睛。
PID控制器自出现以来，凭借其原理简单、稳定性高、操作性好等优点迅速成为工业控制的主要技术[11]。因此当外界光线发生变化时，系统会采用PID算法对灯组电压进行一个负反馈调节。首先用设定值（桌面上确定的光照强度）减去反馈值（通过光敏模块采集到的数字量）得出偏差值error；再把在对多次测量的误差进行积分得出intergral；接着求出误差值减去上一次偏差值的微分derivative；最后通过公式得出补偿值：
通过以上方法使用户的工作亮度环境尽可能保持在一个稳定的值。调光工作流程如图11所示。
图1 1 调光工作流程
3.4 姿态识别
当设备启动后，Jetson Nano完成系统初始化设置、校准后进行图像捕获，获取当前的环境图像信息，通过Open CV与Dlib人脸关键点识别库对摄像头捕获的每一帧图像数据进行预处理，使用CNN人脸检测、HOG人脸对齐技术对图像进行归一化、Gamma校正。经过Gamma指数变换、计算梯度、统计cell内梯度直方图、归一化后最终生成HOG特征，达到识别人脸以及定位人脸关键点信息的目的。在得到人脸关键点数据之后，以鼻尖为原点进行3D脸部重构，通过鼻尖特征点二维坐标与世界坐标的原点二维坐标进行比较分析，得出人脸的roll、pitch、yaw欧拉角度，经过转换最终得出使用者的姿态角度，也就确定其当前姿态。
针对不同的人群，需要在使用前进行校准程序。台灯刚打开进行初始化时会通过语音提示用户端正坐姿并保持一定时间，云台进行扫描，迅速定位用户脸部所在位置并划分出坐姿分区，此时语音提示用户校准完成。
设备在使用过程中，云台根据用户脸部所在位置会自动调节水平位置，并实时分析用户姿态，当用户脸部进入到不良坐姿分区时，将与主控ESP32进行串口通信，并发出语音提醒，还会根据用户使用台灯的当前时间和单次使用时长进行对比分析。例如：在深夜使用台灯、用户坐在台灯前超过一定时长会提醒用户注意休息。纠姿工作流程如图12所示。
图1 2 纠姿工作流程
4 系统测试
(1）模块功能测试：接通电源，当台灯检测到用户后，系统初始化，OLED屏正常启动，能显示当前环境亮度比例，灯组亮度比例，当前环境温度，开始计时已使用时长及18650锂电池剩余电量。语音模块播放提醒用户端正坐姿的语音。当台灯检测到用户长时间离开，会自动进入休眠模式，关闭灯组，暂停各模块的工作。
(2）灯组灯光智能调节测试：灯组正常发光，当外界光线变化，灯组能做出相应的调节。
(3）坐姿检测与提醒功能测试：系统初始化后，摄像头扫描用户人脸并定位，然后播放语音提醒用户调整到正确坐姿，之后便进入监测模式。当用户短时间内坐姿与标准坐姿有偏差，系统会视为用户是放松状态；当用户长时间坐姿不正确，播放语音正常，提醒用户矫正坐姿。设备原型及调试场景如图13所示。
5 结束语
本文针对智能照明的应用需求开发的一款多频采光智能矫姿护眼照明设备。该设备通过多种可调频率采集外界光线环境后通过PID算法计算得出当前环境最佳光线的调节方案，以达到护眼的效果；同时通过Jetson Nano板载摄像头实时检测用户坐姿，并在检测到不良坐姿时通过语音做出纠姿的温馨提醒，最终达到多频采光、智能调光、姿态矫正的目的，具有较强的实用价值。在后续的研究中，将进一步优化设备智能调光的算法与姿态识别的相关算法，从而提高该多频采光智能矫姿护眼照明设备的精确性与智能性。
图1 3 设备原型及调试场景
参考文献
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