【毕业设计】智能儿童书桌控制系统的设计与实现

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摘要

本文根据儿童学习时坐姿不规范、学习环境不适宜、设备控制不方便等实际情况，提出以STM32F103C8T6为基础的智能儿童书桌控制系统设计方案。本系统以STM32F103C8T6最小系统板为依托，集成了各种传感器、LED灯、OLED显示屏、继电器等组成一个多功能协同智能控制系统。系统有五个主要功能，一是坐姿监测与提醒，用超声波传感器检测儿童和书桌的距离，距离小于阈值时蜂鸣器报警；二是智能照明控制，用光照传感器采集光照强度，STM32自动调节LED灯的亮度，人体红外传感器检测到儿童靠近时打开，离开时延时关闭；三是环境监测与显示，用DHT11采集温湿度数据，结合其它数据经过STM32处理后在OLED屏上显示；四是设备联动控制，用继电器连接外接设备，STM32根据温湿度数据控制继电器吸合启动设备；五是核心协调控制，STM32接收传感器数据，完成逻辑判断和指令处理，协调外设运行，同步信息到显示屏。经过测试可知，本系统可以准确地采集数据、快速地执行指令，有效地规范了坐姿、改善了环境、实现了设备的联动，提高了儿童的学习舒适度和安全性，创建出智能化、人性化的学习辅助环境

关键词：智能儿童书桌；坐姿监测；智能照明；环境监测

ABSTRACT

This article is about to solve problems of wrong sitting posture，unsuitable environment，and inconvenient device control for kids，it builds a smart children's desk control system according to STM32F103C8T6 MCU. Based off of the STM32F103C8T6 min system board as its main component using all kinds of sensors and other parts like led, oled display and relay for this system. It will have 5 major features that our system can perform. First one is sitting postures supervision and tips: Ultrasonic detection checks how close to desk a child sits; when more than threshold value is found then it causes flashing warning light made up of red leds. Second function is smart lighting control : brightness level determined by light intensity detected by sensor, which is adjusted by stm32 controlling led's illumination. Human Infrareds judge whether or not children will cause us to turn off the Delay-3: Environmental detection and display DHT11 sensors give temperature and humidity data which is taken care of by stm32 and shown in oled boards- external device linking control: relays link everything that gets told after understanding temperature / hum information given out by stm32 - core coordination control: The main part(stm32) gathers what comes from its own sensor board, gets enviro info does some thinking about what’s going to come next based on it, handles all these commands by sending them out to any other things connected in sync- this setup takes different kinds of info but succeeds at providing good answer quickly to get right posture for regulating environmenal condition creating place where all sorts of stuff can cooperate nicely for better smart way children learn.

Keywords:Smart children's desk; posture monitoring; smart lighting; environmental monitoring

目 录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.2.1 研究目的

1.2.2 研究意义

1.3 研究现状

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

2 总体设计方案

2.1 系统总体设计

2.2 方案选择

3 系统硬件设计

4 系统测试及结果

结 论

参考文献

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1 绪论

1.1 研究背景

随着社会对儿童健康成长和教育环境的关注度越来越高，学习环境的舒适性、安全性、智能化也成了家长以及教育领域的重要研究方向[1]。但是目前的儿童书桌功能单一、不能主动干预和适应环境，不能满足儿童健康学习的需求，痛点明显[2]。​

儿童长期不良坐姿容易造成脊柱侧弯、近视，我国学龄儿童相关健康问题发生率逐年上升，“近距离伏案学习”是重要的诱因[3]。传统的书桌只能起到基本的支撑作用，不能对儿童和书桌之间的距离进行实时监测，当儿童出现坐姿异常的时候，也很难及时得到提醒，而人工监督又存在着实时性差、干预滞后的问题，需要依靠技术来实现坐姿监测和提醒的自动化。​

学习环境的调节依靠人工，适应性和节能性较差。光照过强或者过弱、温湿度过高或者过低都会影响儿童的学习效率和舒适度[4]。目前家庭和学校里，光照调节依靠人工开关台灯、拉窗帘，温湿度控制依靠独立空调、风扇，操作繁杂且容易出现无人时设备空转耗能、参数无法适应儿童需求等问题，缺少自动感知和联动调控的解决方案[5]。嵌入式、传感器和智能控制技术迅速发展，STM32系列芯片成本降低、性能提高，各种传感器小型化、稳定成熟，为书桌智能化打下了硬件基础；同时市场对儿童智能产品的需求量增大，传统的书桌智能化是必然的趋势[6]。

在此情况下，设计以STM32F103C8T6为核心智能儿童书桌控制系统，可以弥补传统书桌的不足，规范坐姿、改善环境、实现节能联动，符合智能家具的发展趋势，给儿童创造健康、便利的学习环境，有重要的现实意义。

1.2 研究目的与意义

1.2.1 研究目的

本文主要针对传统儿童书桌不能实时监测坐姿、需要人工调节学习环境、功能单一的不足之处，设计并实现一个以STM32F103C8T6为核心，可以对儿童进行实时坐姿监测、自动调节学习环境等功能于一体的智能儿童书桌控制系统[7]。采用超声波传感器、光照传感器、温湿度传感器DHT11、人体红外传感器等元件搭建起完整的智能控制系统，从而达到对儿童与书桌距离的实时检测和坐姿异常提醒、根据环境光照自动调节LED灯亮度、按照温湿度控制继电器联动风扇、利用人体红外传感器实现照明节能控制的目的，并将重要的环境以及监测数据可视化到OLED显示屏上，从而解决了儿童学习过程中坐姿不规范、环境不适配、设备控制繁杂等问题，给儿童提供了一种自动化、智能化的学习辅助硬件支持[8]。​

1.2.2 研究意义

就实际应用价值而言，该系统可以借助实时坐姿监测并发出提醒，促使儿童养成良好的坐姿习惯，从而削减脊柱侧弯、近视等健康问题出现的几率，守护儿童身心健康；凭借自动调节光照、温湿度，给儿童创建起合适的学习环境，改善学习舒适度和效率，而且人体红外感应照明、继电器联动设备等特性能让能源得到节约并且设备具备了智能控制的功能，缩减用户的操作难度，优化使用体验[9]。从技术及行业价值的角度来说，本文依托STM32芯片以及多传感器融合技术，探寻嵌入式技术在儿童智能家具方面的具体应用，给儿童智能产品硬件的设计和功能的开发赋予了可供参照的方案，契合智能家具的发展趋向，也符合市场对于“健康化、智能化”儿童用品的需求，促使传统儿童家具朝着智能、多功能的方向前进，具备一定的实践和行业借鉴价值[10]。

1.3 研究现状

1.3.1 国外研究现状

目前，国际学术界以及产业界对于智能家具的探索越来越深入，而与儿童有关的智能家具研究也受到了越来越多的关注[11]。这些研究主要是从两个方面来开展工作的，一是物联网技术在智能家具中深度集成的应用，二是根据不同的人群设计出智能家居系统的整体方案[12]。从技术应用上来说，研究者们主要开发出基于物联网的智能互联系统，使智能儿童书桌等产品可以和智能照明、温控设备、学习平板等各种终端进行无缝连接和数据共享，从而大大提高了产品的功能丰富性以及智能化水平[13]。随着老龄化社会的不断加剧，研究人员在开发智能家居整体方案的时候，把儿童群体的特殊需求考虑进去，把健康监测、行为分析、环境调节等模块整合起来，创建起一个符合各个年龄段用户需求的智能家居生态体系[14]。这些探索给智能儿童书桌控制系统架构设计、技术路线选择赋予了关键的理论支撑和操作参照[15]。但是值得指出的是，在儿童书桌控制系统功能细化方面，尤其是针对儿童学习过程中具体的坐姿监测与矫正、学习环境光照和温湿度调节、专注度分析等细分功能的深入研究，还处在比较分散的状态中，并没有形成系统的整合技术以及产品化方案[16]。

1.3.2 国内研究现状

国内学术界以及产业界对于智能儿童书桌控制系统展开研究的时候，已然搭建起比较完备的研究架构，其研究范畴囊括了从技术落实到用户体验诸多重要方面[17]。交互设计方面，研究者们除了对基本的界面操作逻辑进行关注以外，也对多模态交互怎样改善儿童和智能书桌之间的互动体验进行了研究，并且还加入了游戏化元素以提高产品的趣味性，使学习的过程更加生动有趣[18]。产品设计上具有多样化的特点，在产品设计上主要研究了可调节式学习桌椅的机械结构创新设计，用人体工程学原理来保证产品的高度可以满足3到15岁儿童各个年龄段的身高变化需求[19]。另一方面主要针对STM32等主流单片机的智能控制系统进行研究，目前已经实现了实时坐姿监测矫正、环境光强和温湿度监测、智能台灯自动调节、多设备物联网联动等功能模块[20]。从市场研究角度来讲，学者们用定量加定性的办法，对国内外主要的智能儿童书桌品牌展开全面的比较分析，细致探究现有产品在功能配备、价格定位、用户体验等各方面的长处和不足。但是国内的研究成果在很多方面还存在着明显的不足，产品长期运行的稳定性不高，各个功能模块的集成程度不高，对于儿童的认知行为特征以及实际使用场景的匹配度也不高，这都会影响到完整的产品体系的建立。就目前而言，我国智能儿童书桌控制系统还没有形成技术成熟、市场认可度高的完整解决方案，相关的研究还需要在核心技术的攻关以及用户体验的提升上不断深入[21]。

2 总体设计方案

2.1 系统总体设计

系统总体框图

2.2 方案选择

STM32F103C8T6

超声波传感器

光照传感器

温湿度传感器

人体红外传感器

显示模块

通信模块

3 系统硬件设计

系统电路图

4 系统测试及结果

系统整体调试图

结 论

智能儿童书桌控制系统的设计与实现包含传感器选择、硬件电路设计、软件流程设计、系统测试等各个方面的内容。智能儿童书桌控制系统可以很好地满足儿童学习场景下各种各样的需求，即监测坐姿、调节光照、监测温湿度、检测人体存在等。不仅可以帮助儿童养成良好的坐姿习惯，保证儿童用眼、身体发育健康，还可以给儿童创造一个舒适的环境，提高儿童学习的舒适度。

通过对超声波传感器、光照传感器、DHT11温湿度传感器和人体红外传感器进行详细的分析和对比，得出各个模块的最佳选择方案，既能满足系统功能的要求，又能控制成本、技术可行。硬件设计中各个模块电路的合理布置、稳定的连接为系统正常工作打下了基础，软件设计用清楚的流程逻辑实现数据采集、处理、反馈控制。系统测试阶段对各个模块的功能性、协同性进行检验，保证系统的可靠性、实用性。本项目成功地完成了儿童学习环境智能化管理的一种可行方案，也给小型智能系统的创建和研发积累了丰富的经验。

未来可以继续提高传感器性能、提高系统的响应速度和精度，也可以尝试更多的智能化功能的集成，从而更好的满足用户的需要。

参考文献

1. Zhao Y .Internet of Things Technology in Smart Furniture: An Overview[J].Journal of Electrotechnology, Electrical Engineering and Management,2024,7(1).
2. 肖飞.智能儿童家具交互设计研究[J].大众文艺,2023,(23):22-24.
3. 徐榕.儿童可成长学习桌椅研究[D].南京林业大学，2023.
4. Qin Y ,Wang C .Mobile intelligent terminal of furniture design product based on wireless communication technology[J].Soft Computing,2023,28(23):1-10.
5. 崔月,关惠元,李翰坤.学龄前儿童可成长型桌椅探析[J].家具,2023,44(01):41-45.
6. 李博,刘云连,魏安敏,等.一种智能儿童书桌设计[J].电脑知识与技术,2022,18(23):97-98+110.
7. 周容旭.可成长性儿童家具与智能化结合的研究[J].大众标准化,2022,(14):112-114.
8. 崔月.学龄前儿童可成长桌椅开发设计研究[D].南京林业大学,2022.
9. 谢福,王振省,李俊,等.基于STM32单片机的智能书桌设计与实现[J].电子产品世界,2022,29(01):82-85.
10. 汪金龙,姚召辉.基于人体健康监测的智能书桌设计研究[J].装备制造技术,2021,(12):121-123+143.
11. 肖飞.智能儿童书桌市场调研对比分析[J].大众文艺,2021,(15):67-68.
12. 韩金金.基于可持续视角的儿童游戏桌设计研究[D].广东工业大学,2021.
13. 李书彦.健康坐姿干预下的儿童桌椅设计[D].昆明理工大学,2021.
14. 汤洁,储蕾芳.儿童智能书桌研究设计[J].设计,2020,33(21):11-13.
15. 张叙俊，智能办公桌管理系统。浙江省，浙江圣奥家具制造有限公司，2020年11月12日
16. 刘勇,吴宜航.基于儿童成长需求的智能家具设计探析[J].中国包装,2020,40(08):57-60.
17. 赵磊磊.多功能模块化儿童桌椅设计与实践[D].齐鲁工业大学,2020.
18. Hu R ,Linner T ,Trummer J , et al.Developing a Smart Home Solution Based on Personalized Intelligent Interior Units to Promote Activity and Customized Healthcare for Aging Society[J].Journal of Population Ageing,2020,13(4):257-280.
19. 邱子宸,于娜,张宸婧.智能化儿童学习椅的设计现状及创新设计原则[J].戏剧之家,2020,(09):221.
20. 杜伟,谭等泰,冯伟,等.基于人体健康监测的智能书桌设计与研究[J].甘肃科技,2020,36(02):11-15.
21. Nasralla M M ,Magarino G I ,Lloret J .Defenses Against Perception-Layer Attacks on IoT Smart Furniture for Impaired People[J].IEEE Access,2020,81-1.

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