智慧台灯 简单

摘要：作品旨在突破传统台灯的单一使用功能，受人体“瞳孔”感应自动调节原理启发，设计自动感应调节台灯；作品利用硬件arduino板和linkboy软件为平台，设计了：平行白光照明、感应自动开启、关闭，闹钟，坐姿检测、休息提醒、有害波段滤除等智能化的功能外，更是根据人体工程学原理，着手延伸研究开发利用智能手环采集人体信息与手机APP的智能数据，以此来实现自动调节光环境，让使用者学习、工作环境更加舒适、健康。

关键词：arduino板 linkboy 台灯 人体 感应 身体信息 控制

一、 选题背景

爱迪生发明了灯泡，给全世界的人们带来了新的光明，这也标志着人类进入了电光源时代。但随着时代的发展和变迁，人们对于电和光都有了新的需要和想法，现在市面上的台灯主要功能就是照明，而台灯的亮灭由开关控制，有的台灯可以用旋钮调节亮度；随着社会的发展，人们在使用台灯的过程中产生很多新的需求，让台灯能够提示我们如何合理健康的学习，以及合理的休息，做到科学、高效的利用时间。让学习更加健康、高效、科学。基于这些构想，作品利用硬件arduino板和linkboy软件，增加台灯的智慧功能，比如：语音提示，自动电源开关，电子时钟，与手环相链接，增加获取心跳信息，运动信息功能，同时对用户根据获取的人体生理信息对台灯进行智能自动控制，让用户体验合理科学的生活。

二、 设计过程

（一） 需求分析

l 防自然光线的平行白光光源，营造健康、舒适的用眼环境；

l 当人在台灯前坐下时，台灯自动开启；当人离开时，台灯自动熄灭。

l 当用户在学习一段时间后，台灯会提醒人注意休息。

l 台灯上有一个电子时钟，用于显示日期和时间；同时还配置了电子闹钟，当闹钟的时间到时，台灯会柔和渐亮，通过柔光度来提醒用户。

l 可自动滤除有危害的蓝光、紫外波段，减少对视网膜的损伤。

l 可检测用户学习时距离书本的距离以及用户的坐姿，当距离过近或者姿态异常的时候，台灯会进行语音提醒，从而实现预防近视、健康用眼的目的，帮助学生养成良好的学习用眼习惯。

l 根据获取的手环信息来提示用户是否坐得时间过长，提醒用户可以运动；

l 根据获取的手环信息来分析用户是站、坐、卧的姿态，根据用户不同的活动姿态，自动调节灯光亮度。

l 根据手环获取的心率数据，智能分析用户实时睡眠状态，根据心率的变化改变灯光的亮度及开关状态。

（二）、初创构思、设计原理及材料

为了实现以上功能，我们以当前主流的arduino软硬件为平台设计一款智慧“瞳”感应台灯。

1、硬件材料：

Arduino板主要包含两个主要的部分:硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;另外一个则是Arduino IDE，只要在IDE中编写程序代码，将程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做些什么了，Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈。Arduino开发板作为主控板，当超声波传感器检测到人坐在台灯前时，arduino板点亮RGB灯，当超声波传感器检测到人离开台灯时，arduino板熄灭RGB灯。其次还有：ds1302时钟模块、超声波传感器、RGB彩灯、按钮、1602液晶屏、蜂鸣器、倾角传感器等材料。

2、软件平台：LinkBoy

linkboy是一款新生代创客编程神器，它具有所见即所得的连接界面，面向对象/事件的触发编程系统，同时还具备独一无二的模拟仿真功能，适用于多种应用场景，使用该软件设计作品时确保实物模块连接和软件界面连线一致, 基于界面模块连接, 软件打包好全部底层资源面向对象/事件触发编程，基于传感器事件触发的编程方式, 选择合适的指令去控制电子模块, 构建逻辑流程实现作品功能。

3、白光形成机制：本作品采用RGB三色灯作为光源，通过配置三种颜色LED的比例来形成白色光源，如图1所示。对于红、绿、蓝的LED芯片，其发出光的主波长分别约为615-620nm、530-540nm、460-470nm，要达到最佳光效，可经过实验选择最佳的主波长配比，一般选择红光635nm、绿光525nm、蓝光460nm的组合，而光照强度一般配比为3（红）：6（绿）：1（蓝），经过大量实验验证，这种主波长和光照强度的组合可以达到最佳效果。

图1 三原色配比形成白色光源

4、平行白光光源：太阳照射所形成的平行白光，即所谓的自然光线，是最为舒适的学习光照环境，本作品基于凹透镜的原理，设计抛物面反射镜，将点光源进行散射，LED灯珠安装于反射镜的焦点处，实现平行光线的输出，如图1所示。在配光方案设计方面，本作品设计了6组LED灯源，如图2所示，可根据环境光照的强弱自动控制照明的数量，从而使光照强度、遮光度始终维持在一个相对稳定的状态，也提高了光照的均匀性，最终实现了健康光环境的营造。

图2 光源结构方案

图3 组合光源布置示意图

5、有害光谱滤除：选择优质LED光源，并通过对光源供电的稳压控制，降低频闪；在不同使用环境下，供给对眼睛无损伤、视觉最为舒适的白光或黄绿光；同时，加装高透明的蓝光、红光、紫外滤光片，滤除455nm以下对视网膜有害的蓝紫波段，尤其是400nm-460nm之间的短波蓝光，该波段的光线能量强，能够更为轻松的穿透角膜和晶状体直达视网膜，在长时间使用下，很容易损伤我们视网膜的感光细胞；其次，红光也会影响角膜和较深层的组织，如水晶体和玻璃状液，从而对眼睛造成不可逆的损伤，因此必须进行滤除。此外，保留455-500nm有益的蓝绿波段，研究表明，该波段光线具有帮助人体调节生物钟、促进身体发育、辅助睡眠等功效。

6、Arduino板与ds1302模块、1602液晶屏组成电子时钟，1602液晶屏显示当前日期和时间；通过按钮在液晶屏上设置电子闹钟的时间，当闹钟的时间到时，台灯会柔和渐亮；通过按钮在液晶屏上设置使用台灯的时间，到了设定的时间，蜂鸣器会发出声音提醒人们休息。

当超声波传感器检测到使用者的读书学习距离过近时，台灯会提醒人保持适当距离；倾角传感器作为上身姿态采集装置，可安装于后背或者胸前，当Arduino控制器检测到躯干角度异常时，同样会进行提醒，帮助用户保持正确的坐姿。

7、通过日常佩戴智能手环，间断或连续性采集人体的各项健康数据，例如心跳、脉搏、体温等相关的指标，然后再将数据通过蓝牙传输给手机端。研发的手机端app程序将收集数据与人体健康数据标准进行对比，分析用户的健康状况，例如睡眠质量是否正常、压力是否过大，情绪是否正常等；台灯会根据对比后的结果，通过自动调节光线强弱、色温的变化，来达到最符合该用户健康指标的光环境，从而达到缓解人的压力、平息人激动的情绪、调节人的睡眠等。通过不断的循环检测、传输、光环境调节，最终实现人的高质量睡眠。

8、3D智能设计外壳，考虑到台灯的实用以及美观，采用3D智能打印外壳，按照整个台灯设计的尺寸和外观需求，先建模后再根据需要打印成型并安装使用。

三、研发过程

（一）、作品原理

作品设计如图所示，ds1302时钟模块接在A0-A2，超声波传感器接在A4-A5，三个按键接在D7-D9，lcd1602接在D11-D12,蜂鸣器接在A13，RGB灯接在A3、A5、A6。Arduino主板读取ds1302的数据在lcd1602上显示日期时间，通过三个按键在1602上设置电子闹钟时间；超声波传感器控制RGB和蜂鸣器。

（图5：设计原理图）

（二）、实验过程

1、测试超声波传感器检测的距离并在1602上显示，根据测试的距离控制RGB和蜂鸣器；

2、设置电子时钟，arduino根据读取ds1302的数据在1602上创建电子时钟；

3、通过三个按键在1602上设置电子闹钟时间和使用台灯时间。三个按键分别定义为状态、加、减。其功能如图：

（图三：设计指令图）

H、M、S是对应电子闹钟时分秒的三个变量，保持设置电子闹钟的时间，T变量是保存设置使用台灯时间的变量。

（图四：制作研发图）

4、思路延伸拓展研究：随着社会信息化的发展，安卓智能产品已日益成为越来越多的人们首选的移动终端产品。伴随着安卓智能手机的发展、平板已经在我们生活大量的使用，越来越多的基于安卓开发平台的应用也随之而出，为用户提供更加智能、方便、快捷的产品体验，构思在设计中加入安卓支持。安卓设计主要包括了对台灯控制、提示音控制、温度采集、平行白光照明、距离检测、姿态检测以及时间校准等功能，利用手环内置传感器检测人体各类数据采集（如：呼吸、心跳、血压等），通过Arduino开发板控制RGB灯光照强度，为使用者营造健康、舒适的光环境。

（图五：蓝牙WIFI模块） （图六：手环传感器）

注：因需要研发APP程序及硬件模块，难度较大，目前仍在学习、研发阶段。

（三）、内置、外观

（图七：内部构造图） （图八：仪表盘显示）

(图九：外观效果图)

四、使用方法

台灯的感应控制装置利用光敏电阻和人体感应模块分别检测环境光线和感知人体,进而自动控制台灯的开关。在光照充足的环境中,台灯不被触发。在光线不足并且人体靠近台灯的情况下,台灯自动开启并处于照明状态。假如人一直处在探测范围内,则台灯保持照明状态,此时可以通过调光旋钮进行无极调光，人走自动关闭台灯,当台灯感应开关感应到人体的时候将接通电源;人体距离感应器感应到人体时将关掉电源。实现感应调节台灯。一种自动感应式报警台灯,能够自动判断书写环境是否需要开灯并自动实施:采用距离传感器判定使用者坐姿和计时器控制工作时间的原理和结构,对伏案姿势和学习时间通过声音进行提醒；台灯上设置人体感应自动断电装置,通过红外扫描传感器来感应人们是否正在使用台灯,做到人在灯亮,人离灯熄,安全节能。

五、创新点

随着社会的进步，人们的各种需求会越来越多，工厂流水线上的产品越来越难以满足人们的个性化需求，科技创新可以让人们DIY来满足自己的个性化需求。台灯根据人体功能学和身体习惯自适应，通过手环APP采集使用者的自身信息（心跳、呼吸、血压等）来自动感应调节台灯的各种功能，如：

1、台灯自动识别是否有人使用台灯来点亮或熄灭台灯；

2、自己设定电子闹钟和使用台灯时间；

3、仿日光的平行白光照明以及蓝紫波段的滤除，提供健康光环境；；

4、台灯可以提醒人们保持适当的读书距离以及正确的坐姿；

5、根据智能手环采集数据，自动调节光环境（拓展研究）。

六、展望

希望在该智能台灯上,进一步实现根据人体功能学和身体习惯自适应,通过使用者佩戴智能手环，将自身身体信息(心跳、呼吸、血压等)通过APP小程序实现数据实时传输，实现台灯的自动开关、自动调节亮度和色温,让使用者在工作或学习的过程中拥有舒适、健康的光环境。