多频采光智能矫姿护眼照明设备的应用需求开发
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
摘要：
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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; ESP3...
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作者：闻远设计
分类：课程设计课件资料
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时间：2023-05-18
