基于NodeMCU和WxBit的智能台灯设计

袁秋凤

（宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100）

据国家卫健委相关调查统计，2018年中国儿童青少年总体近视率为53.6%.在新型冠状病毒肺炎期间，眼科专家在对广州12所小学2～3年级小学生近视发展变化的监测研究中发现，中国小学生的近视发病率有所增加[1].目前，儿童青少年的近视防控措施主要着眼于改善用眼环境，包括：增加户外活动时间、控制合适的用眼时间、创造照度良好的学习环境、保证充足的睡眠和营养等.儿童青少年主要的用眼场景是独立卧室的书桌，台灯作为常用的学习工具，对视力的影响不容忽视.传统台灯用于照明，功能单一，智能台灯的出现，使台灯的功能更加多样化.智能台灯多采用单片机作为控制器，利用传感器检测技术，实现台灯的自动控制.近年来，对于智能台灯的研究，主要集中在节电和护眼功能的开发上.刘艳峰[2]设计的基于STM32单片机的智能台灯控制系统，通过热释红外传感器检测人体是否存在，自动控制台灯的亮灭；利用光敏电阻检测环境光强，自动调节台灯的亮度；通过红外测距传感测量人体距离，当小于限定距离时自动发声报警.龙洋等[3]研发的基于智能家居的防近视智能台灯，利用单片机内部的定时器和语音模块实现计时和语音提醒功能.王聪等[4]设计的基于51单片机的智能台灯，利用蓝牙模块实现了百米距离内控制台灯亮度的功能.目前市面上还出现了一些智能学习台灯，能够实现家教、通话等功能，但价格普遍较高.文中基于NodeMCU物联网开发板，设计一款价格低廉、结构简单、具有远程监控功能的LED智能台灯，能够实现家长对孩子用眼环境和用眼行为的实时监控，可以作为孩子和家长联合防控近视的一种辅助手段.

1 智能台灯设计方案

智能台灯总体设计方案如图1所示.

图1 智能台灯总体设计方案

智能台灯由台灯终端和手机APP（application，应用程序）构成，使用对象为孩子和家长.台灯终端由孩子控制，主要由控制器、光源、读写距离检测电路、按键电路、语音提示电路和电源组成，具备亮度调节、读写距离检测、用眼时间计时和语音提醒功能.手机APP 由家长操作，可以监测台灯亮度、读写距离和用眼时间，以及远程控制台灯的关闭.台灯终端和手机APP 之间的数据传输采用基于MQTT（message queuing telemetry transport，消息队列遥测传输）协议的物联网云平台.

2 台灯终端的设计

2.1 台灯终端的硬件电路设计

台灯终端主要由NodeMCU 开发板、WS2812B环状灯板、HC-SR04超声波传感器、DY-SV17F语音播放模块、4 Ω 3 W 喇叭和四脚钮子开关等组成，使用5 V 直流电源供电.利用Fritzing 软件绘制的电路接线图如图2 所示.由于Fritzing 软件元件库中没有WS2812B 环状灯板和DY-SV17F 语音播放模块，可使用InkScape软件自制元件.

图2 智能台灯终端电路接线图

本设计采用乐鑫ESP8266 的NodeMCU 开发板作为核心控制器，它是一款超低功耗、高性价比的开源物联网开发平台，可支持UART、IIC、PWM、GPIO 和ADC 等接口[5]，在物联网应用开发中广泛采用.WS2812B 环状灯板作为台灯照明光源，它是一种采用单总线协议的可编程智能LED 光源，集成了WS2812B控制芯片和5050RGBLED 发光电路，最多支持1 024个LED 灯珠的级联，每个LED 灯珠可编程控制显示不同的颜色和亮度.HC-SR04 超声波传感器用于检测读写距离，它基于超声波发射和反射原理实现距离的测量，通过时间差计算台灯和人之间的距离.DY-SV17F 语音播放模块、4 Ω 3 W 喇叭和3个10 kΩ 的电阻组成语音提示电路.DY-SV17F 是一款智能语音模块，集成IO 分段触发控制（包括IO 组合模式和IO 独立模式）、UART 串口控制、单总线串口控制、标准MP3 等7 种工作模式，可通过USB 数据线连接电脑更新音频文件.四脚钮子开关用于控制台灯的开关和亮度模式.

为充分利用NodeMCU 开发板有限的IO 资源，具体电路接法和功能如下.D10（GPIO1）引脚和D9（GPIO3）引脚作为串口，实现智能台灯与物联网云平台服务器之间的WiFi 通信.D6（GPIO12）引脚连接WS2812B 环状灯板的DI 引脚，用于驱动WS2812B.D7（GPIO13）引脚连接四脚钮子开关，采用上拉模式接法，用于检测按键输入.D1（GPIO5）引脚、D2（GPIO4）引脚分别连接HC-SR04 超声波传感器的Trig 引脚和Echo引脚，用于控制超声波传感器发送和接收信号.D5（GPIO14）引脚、DS3（GPIO10）引脚分别连接DY-SV17F语音播放模块的IO1引脚、IO2引脚，用于触发输出语音提示信息.

本设计中的DY-SV17F语音播放模块采用IO独立模式1电平触发方式，即IO0～IO7独立控制8首曲目，曲目文件必须以5 位数字格式命名，包括00001.mp3～00008.mp3.当某一个IO 口为低电平时，对应的曲目播放，当该IO口恢复高电平，当前曲目停止播放.IO独立模式1的电路连接需将CON3/BUSY、CON2和CON1三个引脚的电平配置为011.

2.2 台灯终端的控制程序设计

NodeMCU 通常使用方便快捷的Lua 语言和Arudio IDE 进行开发[6].台灯终端控制程序基于Arudio IDE开发，采用C++语言，利用免费的巴法云物联网开放平台发布和订阅消息.

在台灯终端控制程序设计之前，需要完成如下工作.注册并登陆巴法云物联网开放平台，选择“MQTT 设备云”，新建台灯模式、读写距离和用眼时间3 个主题，并记录下MQTT 服务器连接的用户私钥、端口号和主题名.台灯终端控制程序的整体运行流程如图3所示.

图3 台灯终端控制程序流程图

程序的初始化配置包括设置NodeMCU 的串口波特率、IO口、定时器和灯板初态.使用Ticker对象实现按键延时消抖、定时发布消息、读写距离定时检测和用眼计时.定时时间分别设定为10 s、30 s、2 min和1 h.当读写距离小于30 cm或用眼时间超过1 h，语音模块将播放相应的音频文件，提示孩子调整用眼行为.程序中将台灯的亮度设置为灯灭、小夜灯、阅读和书写4 种模式，分别用按键短按1～4 次实现模式切换.通过调用第三方库Adafruit_NeoPixel，采用RGB 色彩模式实现WS2812B LED 灯珠的亮度调节.台灯终端向巴法云物联网平台的MQTT服务器发布台灯模式、读写距离和用眼时间三类消息，并订阅台灯模式主题的消息.

3 手机APP的设计

家长通过操作智能台灯的手机APP，可以连接或断开MQTT 服务器，查看台灯模式、读写距离和用眼时间信息，以及远程控制关灯，可不受时空限制地监测孩子的用眼环境和用眼行为.

智能台灯手机APP的开发环境采用WxBit软件，它是基于MIT APP Inventor 开源代码优化定制的汉化版[7-8]，集成了百度飞桨、百度语音、高德地图等多种国内互联网优质服务.智能台灯手机APP 的界面布局如图4所示，采用水平布局，使用的组件有标签、按钮、图像框、信息对话框和MQTT客户端等.

图4 手机APP界面布局

智能台灯手机APP 的逻辑设计流程如图5 所示.创建的全局变量包括：MQTT 服务器URL 地址、MQTT 服务器用户连接私钥和主题类型.主要涉及的对象和事件包括：屏幕初始化、按钮被点击、MQTT客户端已连接、MQTT 客户端连接中断、MQTT 客户端收到消息.各事件内部主要采用分支结构.以“MQTT 客户端收到消息事件”为例，当MQTT 客户端收到消息时，先判断主题类型，若主题为台灯亮度模式，则再判断台灯亮度模式为灯灭、小夜灯、阅读和书写中的哪一种，并显示对应的模式文本信息和图像信息；若主题为读写距离，则显示读写距离值，若读写距离小于30 cm，则弹出消息提示对话框；若主题为用眼时间，则显示用眼时间值，若用眼时间大于1 h，则弹出消息提示对话框且手机发声振动；若收到的消息不为上述3个主题，则弹出“接收信息出错”的消息提示对话框.

图5 手机APP的逻辑设计流程图

4 智能台灯的运行结果

孩子启动智能台灯终端后，可利用按键手动切换台灯的亮度模式，家长的手机APP 可以监测台灯的工作状态和孩子的用眼情况.当孩子的读写距离、用眼时间不规范时，将语音播放提示信息，同时手机APP 弹出消息对话框提醒家长.家长也可以通过远程关灯操作，间接制止孩子不合理的用眼行为，以及没有及时关灯浪费电能的不良行为.手机APP运行结果如图6所示.

5 总结

智能台灯由台灯终端和手机APP 两部分组成，台灯终端以NodeMCU 开发板为核心，手机APP 的设计基于WxBit开发环境，通过巴法云物联网开放平台实现消息的发布和订阅.通过台灯终端既能手动设置台灯亮度模式、定时检测读写距离和用眼时间，并将这3 项数据发布至物联网平台，又能接收台灯模式主题消息，控制台灯的关闭.而手机APP 既能手动连接或断开物联网平台、订阅主题、显示孩子的用眼环境和用眼数据，又能发布灭灯消息远程控制台灯的关闭.文中设计的智能台灯结构简单、界面简洁、成本低廉，硬件设计和软件开发较易实现，可以作为保护孩子视力的辅助工具.因考虑到智能台灯的开发成本，受限于NodeMCU 有限的IO 资源，本设计未采用距离检测精确度和可靠性更高的传感器，后期将在提高终端控制器性能的基础上，进一步改良台灯的功能.