為了提升工作和學習的健康與生活質量，設計了一款基于物聯網的智能臺燈。該臺燈以STM32為主控，結合多種傳感器、語音播報和云平臺，具備視力保護、坐姿檢測、久坐提醒和智能控制等功能。實驗表明，該臺燈可調節各項參數，能有效預防近視和駝背，具有較強的實用性和市場潛力。

隨著信息技術的發展，臺燈正朝著智能化、節能方向發展。然而，長時間的不良姿勢導致的健康問題日益嚴重。因此，設計一款集視力保護、坐姿檢測和久坐提醒等功能的智能臺燈顯得尤為重要。與現有的單一功能智能臺燈不同，本設計結合多種傳感器和WiFi模塊，提供全面的健康保障和智能控制，提升了用戶體驗。

系統硬件設計

1、系統硬件總體設計

系統由微控制器、超聲波傳感器、光敏傳感器、紅外傳感器、語音播報模塊、WiFi通信模塊、LED燈模塊、電位調節器、按鍵、OLED顯示模塊、手機等模塊組成。系統總體框架設計如圖1所示。

圖1 系統總體框架設計

系統主要實現以下4個方面的功能：（1）智能控制功能，分為3種控制模式：(1)手動模式：通過電位器調節光照強度，通過按鍵設置久坐提醒時間、坐姿檢測閾值、學習時長閾值等基本信息；(2)自動模式：通過光敏傳感器自動調節光照強度，以保護用戶視力；(3)遠程控制模式：通過手機APP遠程控制光照調節，設置久坐提醒時間、坐姿閾值、學習時長閾值等信息；（2）坐姿檢測功能，通過超聲波傳感器檢測人體坐姿，實現不良坐姿的語音播報提醒；（3）久坐提醒功能，通過紅外傳感器檢測用戶是否久坐，并通過語音播報提醒；（4）定時提醒功能，通過設置工作、學習的定時長功能，保護身體健康。

各模塊電路設計

2、主控制器

本系統采用基于Cortex-M3內核處理器芯片的STM32F103C8T6作為主控制器，如圖2所示，為單片機最小系統電路，系統的所有開發都圍繞該芯片展開。該控制器最高支持72 MHz的時鐘工作頻率，48引腳的LQFP貼片封裝，包含64 KB的Flash，支持ADC、定時器、I2C、SPI和串口等多種外部設備，具有較高的穩定性、較強的運算速度及處理能力，并且實時性強，功耗低，價格便宜。

超聲波傳感器模塊

用戶坐姿檢測功能的實現主要利用超聲波傳感器采集用戶與臺燈之間的距離實現。本系統采用HC-SR04型超聲波傳感器，該傳感器具有3個部分：發射、接收和信號處理，其測量范圍達3～450 cm。工作原理為超聲波發射管腳Trig向某一方向發射超聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物則立即返回，超聲波接收器Echo接收到反射波則立即停止計時。由于聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s，則根據記錄的時間t，從而計算出發射點距障礙物的距離s，即s=340 m/s×t/2。該模塊與主控制器模塊電路連接設計，如圖3所示。

紅外傳感器

紅外傳感器IR主要用來檢測是否有用戶使用臺燈，與主控制器中的定時計數器相結合用來檢測用戶是否久坐功能。紅外傳感器主要由紅外發射器、紅外接收器和電位器組成。其工作原理為：根據物體的反射特性，如果沒有障礙物，發射的紅外線會隨著它傳播的距離而減弱并最終消失；若有障礙物，當紅外線遇到障礙物時，射線會被反射回紅外接收器，然后紅外接收器檢測到該信號并確認有障礙物。電位器可以調節檢測距離，其檢測距離的范圍為2～60 cm，檢測角度為35°。該模塊與主控制器模塊電路連接設計如表1所示。

圖2 STM最小系統電路

圖3 HC-SR04超聲波傳感器電路設計

表1 IR與STM32的連接

語音播報模塊

語音播報模塊主要用于提醒用戶久坐和坐姿檢測。該模塊采用JR6001語音模塊，它支持MP3、WAV高品質音頻格式、24位ADC輸出和兩線串口控制，具有4 MB存儲器內存，自帶3 W功放，連接喇叭。該模塊與主控制器模塊電路連接設計如圖4所示

圖4語音播報模塊電路設計

WiFi通信模塊

WiFi通信模塊主要用于遠程控制智能臺燈。本系統借助機智云物聯網平臺，將采集的數據通過WiFi上傳到物聯網云平臺，然后下載手機App，即可對下位機硬件進行遠程設置控制模式和各傳感器閾值等信息。

本系統采用的WiFi模塊為ESP8266，該模塊有3種工作模式：（1)AP模式，即ESP8266作為熱點被其他設備連接；（2)STA模式，即ESP8266通過路由器連接至互聯網；（3)AP+STA模式，即前2種的共存模式。

由于本系統是將WiFi模塊作為物聯網云平臺機智云和下位機數據通信的橋梁，機智云配置WiFi有SoftAP和AirLink 2種模式。SoftAP模式是指設備本身將成為一個AP，智能手機可直接與設備進行連接，然后在手機上的界面上輸入路由器的SSID和密碼，設備接收到信息的時候自動嘗試連接路由器，連接成功則自動切換到正常使用的一種模式。AirLink模式是指機智云對各種SmartConfig、SmartLink這種UDP廣播報文方式對設備配置入網的技術統稱的一種模式，該模式要求其內部SDK已經內置AirLink技術。

為了便于手機APP自動配置相關信息，本系統將WiFi模塊設置為AirLink模式，其內置的SDK可通過機智云官網下載，然后通過串口寫入WiFi模塊。WiFi模塊與主控制器的電路連接如圖5所示。

圖5 ESP8266與STM32的連接

OLED顯示模塊

為了增加智能臺燈與用戶的交互界面，本系統采用OLED屏顯示智能臺燈當前的各項數據。顯示屏為0.96寸的顯示屏幕，該屏幕具有功耗低、體積小、視覺廣、反應速度快、構造及制造簡單等優勢，該模塊與主控制器通信方式采用IIC總線，電路連接設計如圖6所示。

圖6 OLED 顯示屏電路設計

電位器及光敏電阻

為了增加智能臺燈視力保護功能，設置了自動調節模式，在該模式下系統可自動調節光照強度。本系統采用了光敏電阻作為感知環境亮暗的傳感器，根據光敏電阻采集的數據，自動設置光照強度，用以保護用戶視力。同時，系統也具備傳統的手動調節光照強度，因此，增加了旋轉電位器，用于手動調節光照強度，由于電位器接法較為簡單，可直接接在STM32的IO口，因此，直接將電位旋轉器的控制管腳與STM32的PA4管腳相接。圖7為光敏電阻電路設計。

圖7 光敏電阻電路設計

系統軟件設計

系統的軟件設計包括兩部分：下位機程序設計和上位機手機APP設計。由于采用物聯網云平臺———機智云，手機APP可直接采用該平臺中的組件，該模塊設計較為簡單，此處不再贅述。下位機程序設計基于Keil開發環境，采用C語言編寫，其流程如圖8所示。下位機程序主要包括各模塊驅動代碼的編寫及單片機內部資源中斷、定時器、串口的使用。中斷程序主要用于工作模式及閾值的設置；定時器程序主要用于坐姿檢測、久坐、學習時長等功能；串口程序主要用于語音播報、WiFi連接等功能。

圖8 主程序流程

測試與分析

設計實現的智能臺燈系統實物如圖9所示。下面分別從3種工作模式對該系統進行測試。

圖9 智能臺燈系統實物

手動模式功能測試

系統上電后，根據按鍵選擇手動工作模式，設置坐姿檢測距離閾值、學習時長、久坐提醒時長等基本信息。其測試結果如表2所示。

表2 手動模式功能測試

自動模式功能測試

自動模式與手動模式最大的區別在于LED燈光照強度的調節不需要人為操作，而是通過光敏傳感器采集周圍環境，自動調節光照。其測試結果如表3所示。

遠程模式功能測試

遠程模式是用手機APP選擇工作模式，同時信息同步至OLED屏。遠程模式用戶可手動設置光照強度，設置坐姿檢測距離閾值、學習時長、久坐提醒時長等基本信息。其測試如圖10、圖11所示。

圖10 選擇工作模式

測試結果表明，下位機OLED顯示屏上的數據與手機APP中設置的閾值數據保持一致，且各項功能測試均正常。

實驗結果表明，3種模式下，各功能測試均表現正常，且符合設計要求。

結語

本文設計并實現了基于物聯網的多功能智能臺燈系統，通過測試，各項功能均運行正常，符合設計要求。該系統具有視力保護、坐姿檢測、定時提醒、語音播報等功能，不僅能夠保證用戶的身心健康，同時也提升了用戶對智能化產品的體驗效果，具有較強的實用性和便捷性，有一定的市場潛力，為智能家居的設計提供了一定的參考價值。

本設計具有以下創新點：

(1）將傳統的具有照明功能的臺燈與物聯網云平臺相結合，可以通過物聯網云平臺或手機APP遠程進行查看、設置各項參數信息；

(2）系統中設計了3種控制方式：手動模式、自動模式和遠程模式，既考慮了傳統方式又兼顧了智能化方式；

(3）各參數閾值設定不再是在程序中固定方式，而是可以通過上位機App或下位機隨時設定，既方便用戶更改閾值，又可以不用再次下載下位機程序。

在系統功能方面，仍可以進一步探索和完善：

(1）由于系統可以聯網，因此可以考慮加入語音識別功能，實現用戶與系統的實時對話功能，使得系統更加人性化；

(2）可以考慮增加攝像頭功能，用戶可以實時監控孩子學習情況等。