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一、引言

（一）研究背景及意义

近年来，我国青少年近视率居高不下，且呈现低龄化、重度化发展趋势，已成为关系国家和民族未来的重大公共卫生问题。除遗传因素外，不良的用眼习惯是导致近视的主要原因，其中过近的用眼距离、不充足的环境光照、过长的连续用眼时间被称为危害视力的“三大杀手”。传统的口头提醒和自律方式效果有限。因此，开发一款集实时监测、智能提醒、数据记录与远程监督于一体的智能视力保护仪迫在眉睫。本项目基于STM32单片机，融合超声波测距、光照检测、人体感应与语音播报技术，并通过物联网实现家长远程监控，旨在从源头纠正不良用眼习惯，培养健康用眼行为，对保护青少年视力健康具有重大的现实意义和社会价值。

（二）国内外研究现状

目前市场上已有一些所谓的“防近视”产品，如简单的坐姿矫正器、定时器等，但功能单一、体验较差且缺乏有效性验证。高端产品多为国外品牌，价格昂贵。现有研究多集中于单一功能的实现，如仅进行距离报警或仅做定时提醒。将坐姿距离监测、环境光强调节、用眼时长管理与云端远程督导通过一个系统有机结合起来，并加入人性化的语音交互，是目前该领域产品创新的主要方向。本研究旨在设计一个高集成度、高可靠性、用户体验好的综合性解决方案，填补市场空白。

二、系统总体设计

（一）系统架构

本系统采用“前端智能感知与执行 + 后端云端协同监督”的架构。

  • 感知层：由超声波模块、光敏电阻、红外人体传感器、DS1302时钟芯片构成，精确采集用户的使用状态和环境数据。

  • 控制与执行层：STM32作为核心处理器，运行核心逻辑算法；语音播报模块和LED灯作为执行单元，提供声光提醒与反馈。

  • 人机交互层：OLED显示屏和按键，用于本地信息展示和参数设置。

  • 云协同层：ESP8266模块将数据上传至云平台，使家长可通过手机App远程查看孩子的用眼数据（距离、时长、光照）并设置保护规则，实现异地、异时的协同监督。

（二）功能模块划分

  1. 坐姿监测模块：超声波模块（HC-SR04）检测人眼与书本/屏幕的距离。

  2. 光照管理模块：光敏电阻检测环境光照强度，自动控制LED灯补光。

  3. 计时管理模块：DS1302提供精准计时，实现学习时长统计与休息提醒。

  4. 人体感应模块：红外传感器（HC-SR501）判断用户是否在位，实现无人时自动暂停计时。

  5. 语音提醒模块：语音芯片（如SYN6288或JQ8900）播报个性化提醒信息。

  6. 显示与设置模块：OLED显示屏 + 按键。

  7. 数据通信模块：ESP8266 Wi-Fi模块。

三、硬件设计与实现

（一）系统硬件框架图

  • STM32F103C8T6 (主控核心)

  • HC-SR04超声波模块：Trig接 PA0, Echo接 PA1

  • 光敏电阻：接至 PA2 (ADC_IN2)

  • HC-SR501人体红外传感器：输出接 PA3

  • DS1302时钟模块：RST接 PA4, DAT接 PA5, CLK接 PA6

  • 语音播报模块 (如SYN6288): RX接 PA9 (USART1_TX)

  • OLED (SSD1306) : I2C接口，接 PB6(SCL), PB7(SDA)

  • 按键 x 4：设置、加、减、确认/开关 接至 PB0, PB1, PB2, PB3

  • LED灯 (补光灯)：通过MOS管驱动，栅极接 PB4

  • ESP-01S (ESP8266) : 接USART2 PA2(TX), PA3(RX)

（二）主控模块选型及介绍

主控芯片选用STM32F103C8T6。其资源分配完美契合本项目需求：

  • 定时器：用于产生超声波模块所需的10us以上脉冲（Trig），并测量Echo引脚的高电平时间（用于计算距离）。

  • ADC：用于采集光敏电阻的模拟电压值。

  • 多个GPIO：用于连接DS1302（模拟时序）、驱动LED、按键输入和人体传感器。

  • 两个UART：一个用于与语音模块通信，另一个用于与ESP8266通信。

  • I2C：用于驱动OLED显示屏。

（三）传感器模块选型及电路设计

  1. HC-SR04超声波模块：最常用的测距模块，精度可满足本项目需求。工作时，STM32向Trig引脚发送一个10us的高脉冲，模块自动发送8个40kHz方波，并检测回波。Echo引脚输出高电平的持续时间即为超声波往返时间。

  2. 光敏电阻：与一个10kΩ定值电阻组成分压电路，输出接STM32的ADC引脚。

  3. HC-SR501人体红外传感器：数字输出型，检测到人体移动时输出高电平。直接连接STM32 GPIO。

  4. DS1302时钟模块：低功耗时钟芯片，包含实时时钟/日历和31字节静态RAM。采用三线接口（SPI变种）与STM32通信，即使系统主电源掉电，其后备电池也能保证时间持续运行。

（四）通信模块选型及配置

选用ESP-01S模块。配置其连接家庭路由器，并通过MQTT协议与云平台（如OneNET、阿里云）通信，定时上报用眼数据（当前距离、光照、本次学习时长）并接收来自App的指令（如设置学习时间阈值）。

（五）执行模块选型及驱动电路

  1. 语音播报模块：推荐使用SYN6288（中文语音合成芯片）或JQ8900（MP3语音芯片）。SYN6288可通过串口直接发送文本进行合成播报，灵活度高；JQ8900需要预先录制好语音片段，通过串口指令触发播放，音质更优。两者均通过串口与STM32连接。

  2. LED补光灯：选用暖白光LED灯板，通过一个N沟道MOS管（如2N7002）驱动，由STM32的PWM输出控制其亮度，实现无级调光。

（六）显示模块选型及接口电路

选用0.96寸I2C接口的OLED显示屏，用于显示实时时间、当前测量距离、环境光强、本次学习时长、设置菜单等信息。

（七）电源模块设计

系统可采用USB供电（5V）。使用AMS1117-3.3稳压芯片将5V转换为3.3V，为STM32、传感器、OLED、ESP8266等供电。LED补光灯如需更大电流，可考虑单独供电。

四、软件设计与实现

（一）开发环境搭建

  • IDE: Keil uVision5

  • 库: STM32HAL库

  • 协议: cJSON库用于拼接MQTT数据包。

（二）系统软件流程图

（三）系统初始化（代码片段）

// main.c
#include "ds1302.h"
#include "hc-sr04.h"
#include "ssd1306.h"
#include "syn6288.h"
#include "esp8266_mqtt.h"

TIM_HandleTypeDef htim3; // For ultrasonic and PWM
UART_HandleTypeDef huart1; // For SYN6288
UART_HandleTypeDef huart2; // For ESP8266
I2C_HandleTypeDef hi2c1;

int main(void) {
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM3_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_USART2_UART_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_ADC1_Init();

  OLED_Init();
  DS1302_Init();
  ULTRASONIC_Init(&htim3);
  SYN6288_Init();
  ESP8266_MQTT_Init();

  // Load thresholds from EEPROM
  study_time_threshold = ...;
  distance_threshold = ...;
  light_threshold = ...;

  while (1) {
      Main_Task();
      HAL_Delay(200); // 主循环周期200ms
  }
}

（四）传感器数据采集与处理（代码片段）

void Sensor_ReadTask(void) {
    // 1. 读取超声波距离
    current_distance = ULTRASONIC_GetDistance();

    // 2. 读取光照强度 (ADC值 -> 光照强度百分比)
    light_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

    // 3. 读取人体红外传感器
    human_present = (HAL_GPIO_ReadPin(PIR_GPIO_Port, PIR_Pin) == GPIO_PIN_SET);

    // 4. 读取DS1302时间
    DS1302_GetTime(&hour, &minute, &second);
}

（五）控制功能实现（代码片段）

void Control_Task(void) {
    static uint32_t study_timer = 0;
    static uint32_t last_remind_time = 0;

    // 1. 人体在位判断与计时逻辑
    if (human_present) {
        study_timer += 200; // 主循环周期200ms
    }
    uint32_t study_minutes = study_timer / 60000; // 转换为分钟

    // 2. 坐姿提醒 (实时检测，最高优先级)
    if (current_distance < distance_threshold && current_distance > 0) {
        if (HAL_GetTick() - last_remind_time > 5000) { // 5秒内只提醒一次
            SYN6288_Speak("距离太近，请保持坐姿");
            last_remind_time = HAL_GetTick();
        }
    }

    // 3. 光照调节
    if (light_value < light_threshold) {
        // 使用PWM控制LED亮度，越暗则PWM占空比越大
        uint16_t pwm_val = (100 - light_value) * 10; // 映射函数需调整
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwm_val);
    } else {
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, 0); // 关闭LED
    }

    // 4. 休息提醒
    if (study_minutes >= study_time_threshold) {
        SYN6288_Speak("学习时间到，请休息一下");
        study_timer = 0; // 重置计时器
        MQTT_Publish("study_session", study_minutes); // 上报本次学习时长
    }
}

（六）远程控制功能实现（代码片段）

// 数据上传函数
void Cloud_UploadTask(void) {
    cJSON *root = cJSON_CreateObject();
    cJSON_AddNumberToObject(root, "distance", current_distance);
    cJSON_AddNumberToObject(root, "light", light_value);
    cJSON_AddNumberToObject(root, "study_time", study_minutes);
    cJSON_AddStringToObject(root, "time", formatted_time_string);

    char *json_str = cJSON_Print(root);
    ESP8266_MQTT_Publish("vision_protector/data", json_str);
    cJSON_Delete(root);
    free(json_str);
}

// 指令接收解析
void MQTT_Callback(char* topic, char* payload) {
    cJSON *root = cJSON_Parse(payload);
    if (root) {
        cJSON *cmd = cJSON_GetObjectItem(root, "command");
        cJSON *val = cJSON_GetObjectItem(root, "value");
        if (cmd && val) {
            if (strcmp(cmd->valuestring, "set_study_time") == 0) {
                study_time_threshold = val->valueint;
                // Save to EEPROM
            } else if (strcmp(cmd->valuestring, "set_distance") == 0) {
                distance_threshold = val->valueint;
            } // ... 其他设置命令
        }
        cJSON_Delete(root);
    }
}

五、系统测试与优化

（一）测试方案

  1. 功能测试：

    • 距离检测：在不同距离（20cm-50cm）晃动物体，测试超声波测量准确性和报警触发。

    • 光照调节：用手遮挡光敏电阻，测试LED灯是否平滑点亮。

    • 计时功能：设置短时间阈值（如1分钟），测试到时语音提醒。

    • 人体感应：测试离开后计时是否暂停。

  2. 用户体验测试：邀请目标用户群体（学生）使用，测试语音提示是否清晰友好，设置流程是否简单直观。

  3. 通信测试：测试App端数据更新是否及时，远程设置指令是否有效。

（二）测试结果与分析

预计测试结果：核心功能均可实现。测试关键点在于：

  1. 超声波抗干扰：避免周围物体反射导致测距不准。

  2. 语音提示体验：提示频率和内容需恰到好处，避免造成厌烦。

  3. 系统功耗：如果采用电池供电，需优化代码进入休眠模式。

（三）系统优化

  1. 算法优化：对超声波和光照数据进行滑动平均滤波，减少偶然误差。

  2. 中断优化：使用定时器输入捕获功能精确测量Echo高电平时间，提高测距精度和可靠性。

  3. 低功耗优化：在无人状态一段时间后，让STM32和大部分外设进入休眠模式，由人体红外传感器中断唤醒，极大延长电池续航。

  4. 数据统计：在云平台或App端增加历史数据统计功能，生成用眼习惯报告，帮助家长和孩子更直观地了解情况。

六、结论与展望

（一）未来展望

  1. AI坐姿识别：升级为小型摄像头模块，通过轻量级AI模型识别更复杂的坐姿问题（如歪头、斜视），而不仅仅是距离。

  2. 光谱分析：使用更专业的环境光传感器，监测光线的色温、蓝光强度等指标，提供更科学的用光建议。

  3. 游戏化激励：在App端引入积分、勋章等游戏化元素，鼓励孩子主动保持良好习惯。

  4. 多设备联动：与家里的智能台灯、智能窗帘联动，自动创造最适宜的光环境。

如有侵权，或需要完整代码，请及时联系博主。

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