智能控制可移动近视防控球系统设计*

张军林，张 宁，梁 彤，王耀坤，戴宇宁

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

世界卫生组织的研究报告显示，我国青少年近视率居世界第一，近视发病低龄化态势明显[1]。经试验得出在乒乓球运动中儿童及青少年不但锻炼了身体，还能有效的缓解视觉疲劳[2]。目前市面上已有的近视防控训练球主要有传统立式和悬挂式。传统立式仅由固定底座、弹力杆和乒乓球组成，悬挂式仅由训练绳和乒乓球组成。

传统立式和悬挂式功能都相对单一。在传统训练球已有的功能基础上加以创新，研发了一套具有可语音控制开关和播放音频、计数、连接网络、自定义训练时长以及移动功能的训练球，功能多样化，增强了趣味性，同时提高了训练质量，避免了易忽视的安全隐患问题。

1 总体方案及原理

本设计主要借助扫地机器人并结合功能模块，功能模块包括语音识别控制及音频播放模块、计数模块、Wi-Fi模块和时钟模块。

音频播放模块的触发引脚连接到语音识别控制模块的输出引脚上，当麦克风接收到指令后，该模块将对应输出引脚接入高电平或者低电平，进而触发音频播放模块，播放音频。可移动底座的开关电路也连接在该模块的输出引脚上，根据该引脚接入的高低电平来控制开关电路的接通和断开。AT89C51单片机连接Wi-Fi模块、陀螺仪和时钟模块。Wi-Fi模块连接网络将数据上传至互联网；陀螺仪是一个角运动检测传感器，检测物体位置的变化；时钟模块用以记录时间，均通过一定的通信协议与单片机进行数据传输。系统原理图如图1所示。

图1 系统原理框图

2 硬件设计

2.1 语音识别控制及播放音频

语音识别控制模块接收到命令后，迅速将模块上的输出引脚接入高电平或者低电平，便会触发电路，实现语音识别控制的功能。

语音播放模块通过感应触发播放，与语音控制模块的输出引脚相连接，当该引脚感应到低电平时，便会触发语音播放电路。

2.2 计数

MPU-6050陀螺仪是一款可用IIC接口连接的第三方数字传感器。陀螺仪检测乒乓球的坐标变换[3]，单片机通过该模块的SDA引脚读取陀螺仪采集的数据，并通过算法判断当前拍打是否有效，记录击打次数。

2.3 连接网络

连接网络功能由ESP8266 Wi-Fi模块实现，单片机将陀螺仪测量的数据通过TXD和RXD依靠串口通信协议发送至Wi-Fi模块[4]，Wi-Fi模块接收后便将该数据上传至网络，用户通过软件进行查看。

2.4 自定义训练时长

DS1302时钟芯片通过简单的串行接口与单片机通讯[5]。模块计时通过芯片的I/O口实时被单片机所读取，待计时达到设置时长时，单片机就会触发语音播放电路，并将本次记录通过Wi-Fi模块上传至网络。

2.5 可移动技术

在扫地机器人的基础上加以创新，作为可移动底座。利用三极管的放大作用设计开关电路，三极管的基极连接语音识别控制电路，当接收到打开开关的语音命令后，三极管导通，继电器瞬时动作，实现语音控制可移动底座的开和关。

3 程序设计

手机APP自定义训练时长后，语音识别控制模块接收到“打开开关”的命令时，时钟开始计时，陀螺仪开始采集乒乓球位置变化，单片机记录击打次数，待计时到达自定义时间后，Wi-Fi模块将本次记录数据上传至网络，使用者可以通过手机APP查看。与此同时，可选择是否播放音乐，并可以通过语音命令关闭音乐。

4 总体调试

由于陀螺仪存在一定的漂移问题，故存在偏差，经过数次对单片机程序的优化以及陀螺仪位置的调整，最终将准确度稳定在93%左右，基本不影响使用，计数数据如表1。

表1 计数数据表

目前基于Wi-Fi的语音控制可移动近视防控球的整体调试已经完成，并将最终完整成品搭建成功，整体电路原理图如图2。

图2 基于Wi-Fi的语音控制可移动近视防控球系统连接原理图

5 总结

单片机使用C51编程语言，陀螺仪、时钟模块以及Wi-Fi模块受单片机控制，实现计数、自定义训练时长和连接网络的功能。语音识别控制模块通过麦克风拾取声音，并通过高低电平触发语音播放模块，实现语音控制和播放音乐的功能。改造技术成熟的扫地机器人，作为整个设备的底座，实现可移动的功能。在训练的过程中增强了趣味性,对青少年具有更大的吸引力，对预防青少年近视有着极大的帮助和意义。