基于单片机与人脸识别的防近视系统设计

基于单片机与人脸识别的防近视系统设计

潘浩、王丽萍 、杨旭东、 张博见、 付东亮、 季利松

中国石油大学（华东） 山东 青岛 266580

摘要: 随着社会的不断发展，学生的学业压力越来越大，众多家长本着不能让孩子输在起跑线上的原则，从小让孩子接受不同方面的教育。这一现象带来的直接影响就是孩子近视眼的比例不断上升。国家有关部门对许多职业都有明确的视力要求，一旦近视，就会约束孩子未来发展的道路。尽管当今医疗技术突飞猛进，但仍然存在着影响视力的不可预知的治疗风险。据调查，目前我国近视人数已经达到6亿，其中青少年群体的近视的状况更是不容乐观。初、高中学生近视率超过70%，小学生的近视率也已经达到了40%。为此，2018年教育部、国家卫生健康委员会等8部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》。因此，设计一种可以预防近视的提醒装置，迫在眉睫，其对于近视的防治具有十分重要的研究意义。

关键词：单片机；人脸识别；防近视系统设计

引言

当前无论是国内还是国外市场上的视力保护器都是侧重某一个方面进行防治，并没有考虑到对引起近视的诸多因素进行综合治理，甚至有的装置对于适用人群也有着很大的限制。因此，一种能够实现综合防治近视的多功能视力保护器装置的出现刻不容缓。

1整体设计方案

根据坐姿、光线和用眼时长综合预防近视的手段，应该从三方面进行合理的设计。

1.1坐姿检测：

如图1所示，当学习者处于正确的学习姿态时，应该让眼睛和桌面保持合理的距离，头部保持正确的角度范围，腰部也必须保持直立端正的姿态。

头部姿态检测：在学习者前方安装摄像头模块，通过对学习者进行人脸识别，分析其脸部以及脸部器官的位置，与标准坐姿下的头部状态进行比对，分析当前学习者的头部姿态（包括眼睛和桌面之间距离、是否歪头等）。当头部位置偏离标准坐姿所对应的高度、左右位移阈值时，即判定坐姿异常，当异常姿态连续超过规定时长时，则认为学习者的坐姿异常。

胸部距离检测：在学习桌的边缘安装有红外传感器，检测使用者胸部和桌子边缘的距离，当距离过近或过远时，都将给予提醒。

1.2光线强度检测与调节

如图2所示，桌面监测系统安装有光线强度传感器，通过实时检测桌面强度，与设定的光线强度阈值范围进行比较后，进行台灯光线强度的调节。

1.3 用眼时长监控与管理

可以通过触摸并或者手机终端，通过蓝牙通信的方式，输入使用者的年龄等信息，给出建议的连续学习时长，或直接输入设定时长。同时，自动记录使用者的连续学习时长习惯，形成个性化的统计数据，以便进行合理的用眼时长管理与提醒。

图1 近视预防装置整体安装示意图

图2 近视预防装置桌面布局示意图

2硬件方案设计

如图3所示，系统由主控模块（单片机）、摄像头模块、红外距离检测模块、光线强度检测模块、光线强度调节模块、语音和振动提醒模块、无线蓝牙通讯等模块组成。

具体工作过程是：首先通过安装在学习者前方的摄像头录入正确的坐姿信息，识别并存储人脸的特征位置信息。在正常工作时，由摄像头实时检测识别人脸的位置信息，测算人脸位置的实际坐标，通过算法分析和标准坐姿、歪头坐姿等状态下的关联度，判断坐姿的状态。当坐姿异常时间超过一定的时长时，则通过CPU识别发出语音或者振动提醒。同时，位于桌面边缘的红外距离传感器，检测学习者和桌面边缘的距离，当超限时进行距离报警，提醒使用者注意调整坐姿。在光线强度检测与调节方面，主要通过光线检测传感器检测光线强度信息，在单片机内部分析得出光源强度是否合适的结论，自动调节台灯的亮度。在时间管理方面，由单片机内部启动定时，当连续学习超过极限时间时，同样予以报警提醒。所有检测的不正确坐姿等信息都可以通过无线蓝牙模块上传到手机中，形成提醒次数、歪头次数等分析数据报表，以便实现更好的监控和管理。

图3 近视预防装置硬件结构图

2.1单片机选型

由于本课题需要使用摄像头模块进行图像处理，因此对微处理器的速度、RAM和存储量具有较高的要求。单片机种类繁多，生产厂家也较多，性能差异明显。如TI、MICROCHIP、Samsung、Philips、AD、ST等公司的产品，从系统资源、处理速度、性价比等方面比较，本设计拟选用近年来使用较为广泛、资源丰富的ST公司STM32H743单片机作为本设计的处理器。STM32H743的工作频率高达400MHz，集成2MB闪存、1MB RAM，完全能够满足视频监控、图形处理和网络通信等领域的应用需求。

2.2摄像头模块选型

目前，USB接口的摄像头已经得到广泛应用，可选性也较广。但此类摄像头一般需要通过电脑，经过USB接口进行连接，在便携性以及和微系统的接口上显现出明显的局限性。而另一类摄像头属于模块级，可以通过并行、串行等方式和CPU进行连接，比如OV5640、OV7670、OV7725等摄像头模块，可以由CPU通过编程读写摄像头捕捉的图像数据，然后在CPU内完成对物体进行特征识别。普通的摄像头模块在进行图像识别时，需要进行大量的数学运算，对处理器具有较高的要求，在系统开发难度上相对较大。本设计拟选用基于STM32H743单片机的OPENMV4摄像头模块，其具有640*480分辨率，可以进行图像处理，满足本设计的要求。

2.3光线强度传感器

本装置能够实时监测使用者周围环境的亮度，并且根据亮度的不同来改变台灯亮度的强弱，系统的创新之处在于它并非单纯的以点为基准，而是由点到面，在桌子不同位置均装有光线传感器来检测使用者不同位置的光线大小，进而实时调节环境亮度以达到护眼效果。目前主要可以光敏电阻、专用传感器和集成光敏传感器的方式，其中采用光感传感器主要有VEML6070等，其体积小、灵敏度高、拥有很强的检测能力，但是价格过于昂贵。若采用光敏电阻来检测光线强度，当光敏电阻受到光线照射时阻值减小，但其不稳定性过高不易精确控制。集成光线检测模块性价比高，检测也较为灵敏，适合本设计。

2.4触摸液晶模块

不同年龄、身高的学习者对于连续用眼时长等具有不同的要求，比如低龄儿童和成人对于用眼时长和疲劳度具有很大的差异。身高也具有很大的差异，因此通过输入合适的参数，可以更好的进行匹配。另外，对于提醒的方式，也可以根据需要设置为语音或者振动的方式。当然，当使用手机通过蓝牙方式进行远程通信控制时，也可以简化为可选模块。

2.5蓝牙拓展模块

根据调查研究发现，近视高发于学生及学龄前儿童，并且市场上需要防近视装置的大部分都是学生家长，为了更加方便学生家长了解学生学习时的情况，本装置拟设计一个蓝牙模块，能够将主装置检测到的所有信息实时发送给装置的蓝牙接收端，从而方便使用者或者使用者的看护人了解学习时可能出现的问题并及时止损，这种方式不需要看护人一直在旁边监督，提高了装置的使用效率同时也为使用者带来了极大的便利。

3效果分析

1. 如何通过摄像头正确识别人脸图像及脸部特征，提高识别的准确性。

2. 如何通过识别的人脸特征，通过算法测算脸部的距离、方位等，进一步分析得出坐姿的姿态，提高头部过低、歪头等不正确坐姿的识别率。

3. 如何合理的集成各模块，通过模块组合的方式拓展装置的使用场所，比如固定在学习桌上使用实现防近视综合检测，或者部分主要检测装置可以自由移动，比如使用摄像头进行头部姿态识别模块，以应对不同的使用场合的需求。

4. 如何将检测数据合理上传到手机等终端，在手机端进行统计和分析。结束语

本文拟设计一种防近视提醒装置，主要通过三方面设计综合预防近视。其一，通过摄像头模块和红外线距离传感器等检测坐姿信息，包括头部的角度，胸口距离桌面的距离等信息，进行坐姿预警和纠正提醒，同时起到预防颈椎和腰椎疾病的作用。其二，通过检测和分析光线强度等信息，给予光线不适提醒，或和台灯形成联动，自动调节亮度。其三，通过监测学习者的学习时间，适时提醒学习者注意休息。所有监测信息还可以通过蓝牙模块传输到手机等终端，实现实时监控。

参考文献

[1]王丽娟，吕晴，高玉霞.学龄期儿童近视防治与控制的国内外研究现状.吉林大学护理学院（吉林 长春）130021.

[2]张振华，赵灿林.绿色产品设计对生态环境的重要性[J]科技与信息，2011,55（17）