电子屏幕智能防近视系统

王浩 程进 张春倩 谌珍雨 孙超

北京信息科技大学北京市传感器重点实验室，北京 100101

0 前言

近年来，随着手机、平板电脑的普及和因特网的迅速发展，很多人在工作和生活中习惯于长时间使用电脑、手机等电子产品。网上查资料、网上聊天、网上找工作、网上玩游戏等已成为当今人们获取信息及休闲娱乐的重要方式[1]，尤其是2020 年上半年，新冠肺炎疫情造成学校停课，网络学习和“云端”教学更是成为了孩子们的日常[2]。长时间近距离观看电子屏幕成为目前青少年近视率迅速增加的主要原因，同样，很多上班族也面临着一样的处境，他们因为工作原因，需要长时间坐在电子屏幕前，逐渐靠近电子屏幕这一举动经常是无意识的[3]，长时间近距离地观看屏幕会给眼睛带来很大的伤害，最直观的表现就是眼镜族的增加。

众所周知，近距离地看电子屏幕对眼睛是有很大伤害的，这是因为电子屏幕发出的光谱中，蓝光的强度比绿光高出60%，相对的，自然光中蓝光比绿光要低30%[4]。电子产品的屏幕发出高能短波蓝光，是仅次于紫外线的高能量短波长光源，它能够穿透眼睛前面的角膜、晶状体直达眼底视网膜。人眼前部对不同波长的光有不同的阻碍能力，例如不戴太阳镜，只有少于百分之一的紫外线会到达视网膜，但几乎所有的蓝光都能到达视网膜[5]。研究发现，长时间、近距离使用电子产品会加速近视的发生与进展[6]。基于以上情况，设计一套具有提醒报警功能的电子屏幕智能防近视系统是很必要的。

目前，关于该领域的相关研究还很少，大部分研究只是停留在理论层面，探究屏幕对眼睛的伤害机制，相对地提出一些建议。虽然有采用ZigBee 来实现监测电子屏幕观看距离的研究[3]，但是采用ZigBee 的系统有一个较大的缺陷便是价格相对昂贵，不适合批量生产，且同样需要使用单片机最小模块。同时，考虑到51 单片机不具备自编程能力，本研究采用了STM32单片机来实现各个模块间的控制。

此系统的检测模块由红外人体传感器与超声波测距传感器构成，能够感知人体并实现实时测距的功能；报警模块由LED 灯与语音模块组成，相比于单一的报警形式，能够从声光两方面实现报警提醒，使人远离屏幕，达到保护眼睛的目的。

1 系统设计

1.1 系统的总体框架

系统整体由控制模块、检测模块、报警模块组成。控制模块由STM32 单片机控制；检测模块由红外人体传感器和超声波测距传感器构成；报警模块由LED 灯、语音模块与扬声器组成。当检测模块中的红外人体传感器检测到人体信号，并且测距传感器检测到的距离到达甚至小于设定的阈值时，控制模块就会使报警模块工作，发出提醒。系统结构图如图1 所示。

1.2 系统的硬件设计

此系统由STM32 单片机、人体红外传感器、超声波测距传感器、LED 灯、YS-M3 语音模块以及扬声器组成。电路原理图如图2 所示。

1.2.1 系统的控制模块

系统采用STM32 单片机（STM32F103RCT6）作为核心处理器，主要负责两部分信号的传递。首先，接收来自人体传感器传输的信号，判别高低电平，在接收到高电平信号时使测距传感器开始工作；其次，在测距传感器检测到的距离小于等于设置的阈值时，单片机会使报警模块开始工作，发出警报。

1.2.2 系统的检测模块

系统的检测模块由一个人体红外传感器（HCSR501）和一个超声波测距传感器（HC-SR04）构成。将人体红外传感器与测距传感器集成在一起，并放置在电子屏幕的正上方。首先，人体传感器一直处于启动状态，当屏幕前没有人时，传感器感受不到人体信号，会向单片机输出低电平信号；当屏幕前有人存在时，传感器便能接收到人体信号，同时向单片机输出一个高电平信号。单片机在接收到来自人体传感器的高电平信号时，会使测距传感器开始工作，测距传感器就可以实时检测人体与测距传感器之间的距离。

人体红外传感器的设置是为了能让系统具备防止误报的功能。单单一个测距传感器也能实现测距的功能，但如果进入屏幕前范围的不是人而是其他物体，例如一本书、一个纸袋等等，在满足条件时也会让系统报警，然而这样的报警是我们不希望发生的，我们期望的是只有人体这一个对象能够引起系统的反应，因此，人体传感器的设置是必要的。

1.2.3 系统的报警模块

系统的报警模块由LED 灯、语音模块（YS-M3）与扬声器构成。在接收到单片机的信号时，LED 灯会闪烁，同时语音模块也开始工作，并通过扬声器将预先设置好的提示语音播放出来，提醒使用者远离屏幕。

1.3 系统的软件设计

本系统使用KEIL5 软件编写，系统的流程图如图3 所示。

首先初始化系统，使人体传感器处在工作状态，当有人体进入传感器感受范围内时，人体传感器感受到人体存在，测距传感器开始工作，测量人体与测距传感器之间的距离，当这个距离小于设置的阈值时，系统中的声光报警就会启动，LED 灯开始闪烁，扬声器会播放语音模块中的录音。

2 系统功能的实现与验证

首先，将测距传感器、人体红外传感器、LED 灯、语音模块正确地连接到STM32 单片机的相应引脚上，扬声器连接到语音模块的引脚上，将测距传感器与人体红外传感器集成到一起，使二者在一个平面，以便于更精确地检测信号；其次，各个模块的摆放位置并不是固定的，这里建议将传感器模块固定在电子屏幕的正上方，LED 灯与扬声器则固定在电子屏幕的一侧；最后，接通电源，使系统处于工作状态。

系统使用的测距传感器的最大探测距离是4.5 m，人体红外传感器的最大探测距离是7 m，因此，此系统的最大有效应用距离为4.5 m。实验中利用笔记本电脑屏幕来测试该系统，将感应模块放置在笔记本电脑屏幕的正上方，当人坐在电脑屏幕前方时，测距传感器测量的正是人体头部到电脑屏幕的距离，同时人体红外传感器也可以感应到人体信号。眼睛距离屏幕最佳距离约为一臂之长，将测距传感器的阈值设置为25 cm（认为眼睛与屏幕的距离小于25 cm 即为危险值）。经过多次测试，每次测试都会引起报警系统工作，因为语音模块中录制的语音有零点几秒的空白，所以报警系统的表现为LED 灯先闪烁，随即语音模块外接的扬声器发出语音提醒。

3 结束语

人体红外传感器与测距传感器的结合使用，使得系统在具备测距功能的基础上还兼具防误报功能，增加了系统的精确性，减少了系统误报，使此套系统的现实应用成为可能。

另一方面，此系统也还存在一些不足之处，虽然报警模块发出声光提醒，可是并不能强制使人远离电子屏幕，可能会出现部分使用者不顾系统提醒，依旧靠近屏幕的情况，未来可以在这方面着手进行改进工作。

目前，有很多关于眼睛健康与电子屏幕的调查，这些研究最后都基于研究发现给人们提供了一些保护眼睛的建议。但是却较少有致力于硬件设施的研究。考虑到这样的不平衡性，研发该系统可以尽可能帮助人们在使用电子屏幕时注意保持眼睛与屏幕的距离，有利于保护视力，以免造成不可逆转的伤害。