1 引言

我国在校小学生1.03亿，近视比例约为30%，近视人数达3100万；中学生近视比例约为50%，大学生约为75%，在校学生的近视人数多于8000万^[1]。长此以往，未来大多数人得隔着眼镜看世界。国家卫生和计划生育委员会近视眼重点实验室观察研究发现，95%的青少年近视根源在不良用眼。如错误的握笔姿势，握笔过低和大把抓挡住了眼睛到笔尖的视线，为了看清写的字，只好歪着头、趴下身子，读写的距离越近，眼睛的调节越强，久而久之，就容易形成近视、斜视，甚至造成脊柱侧弯。

2 研究内容

为辅助不良用眼人群预防近视，本文依据教育部、国家卫生健康委员会、国家体育总局、财政部、人力资源和社会保障部、国家市场监督管理总局、国家新闻出版署、国家广播电视总局八部门联合印发的《综合防控儿童青少年近视实施方案》^[2]和国家卫生健康委员会组织编写的《近视防治指南》^[3]等资料，围绕健康用眼展开护眼仪的硬件研究与设计。主要内容如下：

（1）选用适合护眼仪的传感器或功能模块，并进行硬件研究；

（2）利用嵌入式控制器精准监测视距、环境光照等数据，以便人机互动；

（3）结合人体工程学、新器件、电源管理技术实现护眼仪的低功耗和多场景应用。

3 硬件设计

本文所设计的护眼仪的硬件系统由距离测量模块、光照检测模块、Jetson Nano模组、单片机最小系统、人机互动单元5个功能部分共同组成，如图1所示。为提高便利性，除可外接+5V电源供电外，还可由内部锂电池组供电。

图1硬件系统框图

(1) 距离测量模块。HC-SR04超声波测距模块的核心器件是压电式超声波传感器，由超声波发射器、接收器与控制电路组成。探测距离2cm-400cm，探测精度3mm，测量角度15度。

该模块采用IO口TRIG触发测距，其TRIG引脚控制端已内接10k的上拉电阻，可通过单片机IO口拉低该引脚；给TRIG引脚一个至少10us的高电平脉冲信号，模块将自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回；有信号返回，则通过IO口ECHO输出一个与射程成比例的高电平脉冲信号，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

该模块共4个引脚，其中VCC 供3.3-5.2v电源、GND为接地、TRIG为触发控制信号输入、ECHO为回响信号输出。需要注意的是该模块不宜带电连接，如需带电连接，应先连接GND端，否则会影响模块的正常工作；此外，测距时，被测物体的面积不少于0.5m²且平面应尽量平整，否则会影响测量的结果。STM32单片机根据测距的结果，通过有源蜂鸣器进行人机互动。

(2) 光照检测模块。GY-30数字光强度检测模块中集成的数字16位I²C总线接口的环境光线传感器芯片BH1750FVI具备接近于视觉灵敏度的分光特性，可检测光照度范围为0-65535lux，检测精度为1lux，内置照度数字转换器^[4]。

GY-30模块自带低功耗3.3v稳压器，兼容3v-5v供电和系统通信。该模块共5个引脚，其中VCC 供3-5v电源、GND为接地、SCL为I²C总线的时钟引脚、SDA为I²C总线的数据引脚、ADDR为BH1750FVI的I²C地址引脚。

STM32单片机根据光照的强度，通过LED进行人机互动。

（3）Jetson Nano系统模组。该SOM的处理器为ARM的四核Cortex-A57 MPCore；内存为16GB eMMC 5.1闪存；GPU采用NVIDIA规模最小的Maxwell架构，配有128个NVIDIA CUDA核心和4GB 64位LPDDR4显存；I/O包括3个UART、2个SPI、2个I2S、4个I2C和多个GPIO；功耗仅为5-10瓦。

该SOM可以运行现代 AI 工作负载，并行运行多个神经网络，以及同时处理来自多个高分辨率传感器的数据，适用于 AI 驱动的网络录像机 (NVR)、高精度制造领域中的自动光学检测 (AOI) 设备、自主移动机器人 (AMR)等各种边缘计算领域的应用。

该SOM搭配云台摄像头，结合软件设计即可通过生物特征点进行对象的姿态分析^[5]。然后，可将分析结果发送至STM32单片机，由其通过震动马达进行人机互动。

（4）人机互动单元。人机互动由有源蜂鸣器、LED发光二极管、微动按键组成。有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，能发出单调的或者某个固定频率的声音，如嘀嘀嘀，咕咕咕等。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，在电路中用字母“H”或“HA”表示。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

本设计选用的元件为SFM-27高分贝压电式蜂鸣器、738 MOS管驱动震动马达、LED二极管、OMRON微动按键。

（5）单片机最小系统。本设计采用Cortex-M3内核的STM32F103ZE微控制器，该MCU的CPU最高速度达72 MHz，具有512KB Flash、USB全速接口和CAN，可控制电机等多种外设。

单片机最小系统由复位电路、时钟电路组成，本文所设计的护眼仪在STM32F103ZE的控制下按照程序流程（如图2所示）工作，实时监测环境光照、人体姿态、阅读距离、用眼时长，并进行适时提醒。

图2 主程序流程图

4 总结

本文所设计的护眼仪的自感应功能通过单片机最小系统和距离测量、光照检测、Jetson Nano、人机互动等外围电路实现。

当阅读距离小于33cm时，或阅读时长超过设定值（默认45分钟），通过SFM-27高分贝压电式蜂鸣器的不同发声区别提醒。

当环境光照超过上、下阀值，如阅读区域的平均照度值低于300lux时，通过LED的闪烁进行提醒。而采光良好、照明充足时，LED处于熄灭状态。

系统首次运行需要针对不同用户进行坐姿校准，具体通过云台摄像头，根据用户脸部所在位置规划出坐姿分区。初始化完成后，Jetson Nano根据人脸关键点数据得出人脸的roll、pitch、yaw欧拉角度。当用户出现不良坐姿时，通过738 MOS管驱动震动马达发出提示。

参考文献

[1]默城.控防青少年近视少不了科学用眼[Z].中国青年报,2019-04-18(002).

[2]教育部等八部门.综合防控儿童青少年近视实施方案[EB/OL].(2018-08-30).http://www.moe.gov.cn/srcsite/A17/moe_943/s3285/201808/t20180830_346672.html.

[3] 国家卫生健康委员会.近视防治指南[EB/OL].(2018-06-01).http://www.nhc.gov.cn/cms-search/xxgk/getManuscriptXxgk.htm?id=369a1d5d8f124bd6a792f48cf3454b2e.

[4]王晓慧,陈超群.智能健康护眼台灯的设计[J].电子制作,2020.23.011.

[5]唐艳凤,林俊强,马振丰,等.多频采光智能矫姿护眼照明设备设计[J].机电工程技术,2021,50(08):45-48.

作者简介

汤芷萱（2000-），女，湖南省益阳市人，在校本科生。专业为电气工程及其自动化。

通讯作者（指导教师）：陈玮（1980-），男，湖南省邵阳市人，硕士，副教授。研究方向为电子学。

作者单位

邵阳学院  湖南省邵阳市  422000