CN108594434A - 一种智能眼镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能眼镜，包括控制器、蓝牙通讯模块、陀螺仪加速度计、光感模块、测距模块、蜂鸣器和电源模块；陀螺仪加速度计与控制器相连，将采集到的数据发送给控制器，控制器处理后通过蓝牙通讯模块发送到移动终端，用户从移动终端读取记步数；光感模块与控制器相连，采集光强度信号并发送到控制器，控制器判断环境光舒适度，并通过蜂鸣器报警；测距模块与控制器相连，测量人眼视距，并发送给控制器，控制器判断是否在安全范围，并通过蜂鸣器报警。本发明是一款适用于视力保护和计步的智能眼镜。

Description

一种智能眼镜

技术领域

本发明属于可穿戴智能设备领域，尤其涉及一种智能眼镜。

背景技术

实现电子设备的可穿戴化使得电子设备成为人体感官的一部分，它拓展了人体的感觉范围。作为人体器官的电子，它加强了人们的感觉能力和信息的获取能力，使得人们能够更好的接触真实的世界。拓展人体感官的能力可以进一步实现信息技术的飞跃。现如今，可穿戴智能设备的渐渐普及已是大势所趋，正在渐渐融入人们的日常生活。一方面可穿戴智能设备可以与手机等终端进行结合。比如智能手环与智能手机的搭配，使得人们可以进一步了解人体的运动状态，实现了计步的功能，促进了人们的健康生活。另一方面，有一些可穿戴智能设备可以完全独立使用，独立完成一些新功能。比如2014年由Google公司开发并发布的Google project glass。它是一款具备增强现实功能的智能眼镜，它可以通过屏幕把虚拟世界套在现实世界上，实现虚拟世界和现实世界的互动。

目前已有一些智能眼镜的产品及方案。然而，已有智能眼镜在功能上主要为：(1)实现了拍照录像功能。例如，GLAXXES眼镜可以实现1080p录像及一键拍照功能。(2)实现了虚拟现实技术，应用于游戏及其它娱乐功能。该类智能眼镜主要采用了虚拟现实(VirtualReality，简称VR)技术，使人眼可以看到完全不同于现实世界的虚拟世界。比如发布于2015年的HTC VIVE系列VR眼镜，能够在观影或游戏中为用户带来不一样的沉浸感和视觉体验。然而其缺陷也很明显，该眼镜体积较大，外联设备多，功耗很高。再比如，Oculus公司所开发的Oculus眼镜，它可以展示Unity软件所构建的虚拟场景，能够让用户沉浸在虚拟世界中看电影或玩过山车等游戏。目前该类的眼镜主要适用于观影和游戏等特殊场景，不适用于日常佩戴。(3)通过增强现实技术(Augmented Reality，简称AR)来实现娱乐功能。比如2015年Microsoft所发布的HoloLens智能眼镜，它是微软首个不受线缆限制的全息计算机设备，能让用户与数字内容交互，并与周围真实环境中的全息影像互动。然而这款设备同样更多的是为了游戏而开发，与Microsoft的游戏类电子产品相对应。除了游戏功能以外，该类智能眼镜虽然也可以开发第三方的应用功能。但是由于这类型的眼镜在设计上采用增强现实技术因而必须使用高性能元件，体积较大，功耗大待机时间较短，因此该类眼镜不能也不适合用户长时间佩戴使用。

综上所述，当今已有的智能眼镜不乏科技含量，但主要服务于娱乐功能，且价格高昂。该发明书中的智能眼镜使其功能聚焦于视力保护及计步用途。一方面，通过多种传感器来加强人体的感觉能力，辅助人们感知眼睛与书本、桌面或显示器的距离，以便及时提醒佩戴者端正坐姿从而保护视力。另一方面，通过眼镜中自带的陀螺仪加速度计传感器可以实现日常的计步功能。随着人们学习及工作任务的不断加重，视力保护产品已经变成人们日常生活中的重要需求。因此，一款适用于视力保护和计步的智能眼镜的需求必然非常强烈。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种智能眼镜。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种智能眼镜，包括控制器、蓝牙通讯模块、陀螺仪加速度计、光感模块、测距模块、蜂鸣器和电源模块；陀螺仪加速度计与控制器相连，将采集到的数据发送给控制器，控制器处理后通过蓝牙通讯模块发送到移动终端，用户从移动终端读取记步数；光感模块与控制器相连，采集光强度信号并发送到控制器，控制器判断环境光舒适度，并通过蜂鸣器报警；测距模块与控制器相连，测量人眼视距，并发送给控制器，控制器判断是否在安全范围，并通过蜂鸣器报警；电源模块与控制器相连，对整个运行系统供电。

进一步地，所述光感模块为光电传感器。所述光电传感器获取环境光强度并转换为电信号，控制器接收电信号转换为强度数值，并与阈值相比较，如果超过或者低于阈值，则蜂鸣器发出警报；同时把相关数据发送到用户终端。

进一步地，所述测距模块为超声波传感器。所述超声波传感器包括发射器和接收器，超声波发射器发射超声波，控制器同时计时并等待；超声波接收器接收到折返的超声波后，停止计时；控制器处理数据计算人眼视距，并与阈值相比较，如果低于阈值，则蜂鸣器发出警报；同时把相关数据发送到用户终端。

进一步地，采用陀螺仪加速度计实时测量各个轴的分量值，当分量值超过阈值则记作一步，并向控制器反馈，控制器会将总步数参数自动加1。

有益效果：本发明的智能眼镜，主要面向用户为长时间伏案学习的学生或在电脑前长时间办公的人群，通过该智能眼镜上的超声波测距传感器，监测佩戴者与书籍、桌面或显示器的距离，当佩戴者眼睛离书籍、桌面或显示器过近时则发出轻微声音提示，防止佩戴者视力下降。本发明智能眼镜在聚焦视力保护功能的同时，也满足计步的功能需求，可以替代普通的智能手环。

附图说明

图1是智能眼镜原理框图；

图2是测量视距工作流程图；

图3是环境光检测工作流程图；

图4是陀螺仪加速度计结构图；

图5是陀螺仪加速度计Z轴数值变化示意图；

图6是计步功能工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的智能眼镜，主要面向学习时间和电脑办公时间居多的人群，具备视力保护的功能，同时，也满足计步的需求，可以替代普通的智能手环。

智能眼镜包括七个模块，控制器、蓝牙通讯模块、陀螺仪加速度计、光感模块、测距模块、蜂鸣器和电源模块。可分为三部分，第一部分是电源模块，起到供电的作用。第二部分由陀螺仪加速度计、光感模块和测距模块组成，用于信息采集。第三部分由控制器、蜂鸣器和蓝牙通讯模块组成，用于对采集到的信息进行处理，实现智能眼镜的功能。

控制器可以采用Beetle控制器，蓝牙通讯模块可以采用HC06芯片，陀螺仪加速度计可以采用MPU6050，光感模块可以采用两个TEMT6000环境光传感器，测距模块可以采用RCW0002超声波传感器，蜂鸣器可以采用12mm压电蜂鸣片，电源可以采用1800mAH电池。

如图1所示，电池与控制器相连，实现对整个运行平台的供电。电池可采用充电锂电池循环充电。由于整个平台的元件较少，功耗较低，一次充电可使用3天以上时间。

控制器与蓝牙通讯模块通过UART总线相连。UART是一种异步通用串行数据总线，用于控制器和蓝牙通讯模块之间的异步通信。当控制器需要与用户终端实现数据通信时，可通过TX接口发送数据给蓝牙通讯模块，蓝牙通讯模块再转发给用户终端。同理，当用户终端发送数据给蓝牙通讯模块，蓝牙通讯模块再转发给控制器时，控制器可通过RX接口接受数据信息。

将控制器与陀螺仪加速度计通过I2C总线相连。I2C总线是一种双向二线制同步串行总线，它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息，即SDA和SCL。SDA是串行数据线，SCL是串行时钟线，均为双向I/O线。将控制器与光感模块相连接。由于采用了两个TEMT6000光敏传感器，所以令控制器的A0模拟接口与1号光敏传感器相连接，A1模拟接口与2号光敏传感器相连接。使控制器的两个I/O接口分别连接超声波传感器的发射器和接收器，再使用一个I/O接口连接蜂鸣器。至此，整个运行平台的电路连接就已完成。

本发明智能眼镜可以实现三个功能，分别是测量人眼视距功能、检测环境光舒适度功能和计步功能。

测量视距功能，主要是针对看书及电脑前办公的场景而设计。测量视距功能的实现分为信息的采集和处理两个阶段，其信息采集主要依靠超声波传感器来测量人眼到书本或显示屏幕的距离。超声波传感器由发射器和接收器两部分组成。发射器定时发出超声波，当超声波遇到前方障碍物则折返，再由接收器接收超声波，并将从超声波发射至接收的时间发送给控制器。然后，控制器依据超声波在空气中的传播速度和超声波传感器发出及接收到的时间数据，进而计算出人眼到书本或显示器的距离。因此，可以通过设置阈值的方式来判定是否视距在安全范围内。当视距过短，则启动蜂鸣器通过轻声鸣响进行报警。提醒佩戴者改正坐姿保持人眼到书本或显示器屏幕为安全视距，从而实现保护视力目的。蜂鸣器的位置安置在镜框腿部，并且鸣响的音量设置在合理范围内，以保证尽可能只让用户听见起到提醒的作用，又可以尽量不打扰到周围的人。

以学习为例，当用户学习时，其坐姿往往不能始终保持在合适的状态，其身体，尤其是头部，往往随时间而慢慢下沉。如果不加注意，使眼睛长时间过于靠近书本，则容易致使视力下降，身体变形。为了防止这种情况的出现，这款智能眼镜实现了测量视距的功能。安装在眼镜中的超声波发射器会定时发射超声波，当超声波由于碰撞物体而返回，则被超声波接收器接收，根据收发时间计算出人眼视距。当视距低于阈值，意味着眼睛过于靠近书本，则蜂鸣器发出轻声警报。

视距计算公式如下：

视距＝(超声波传播速度×收发时间间隔)/2

如图2所示，当陀螺仪加速度计测得佩戴者不动“坐着”时，启动测量视距功能，并初始化各个参数。每间隔固定时间30s超声波发射器就发射超声波，同时控制器开始计时并等待。当超声波接收器接收到折返的超声波后，则停止计时。依据前述公式计算出视距并与阈值相比较，如果低于阈值(阈值可设为区间[30cm,35cm]中的数值)，则说明距离书本或电脑屏幕过近，不利于视力保护，则蜂鸣器发出警报，提醒用户适当调整坐姿。如果高于阈值，则说明当前仍处于合适距离。然后把视距相关数据发送到用户终端。用户可以通过手机终端的APP上查看一天内的视距情况。

检测环境光舒适度功能，该功能同样分为信息采集和处理两个阶段。其对光亮度信息的采集依靠光电传感器来实现。当人们进入光线较暗的屋内，光电传感器将自动获取环境光信息，并将光强度信号转换为相应的电信号，再传送给控制器，接收到信号的控制器将对其进行处理，分析当前环境光是否适合看书学习，实现检测环境光舒适度功能，通过设置阈值来实现对过暗的环境光进行报警的功能。当检测到周围环境光过亮或者过暗时，控制器就会发出相应的信号给蜂鸣器，启动蜂鸣器并轻声鸣响来提醒佩戴者，该功能上是出于针对学习的环境而设计，保证足够的环境光亮度可以尽可能的保护用户视力，健康舒适的学习工作。

光电传感器，通过光电信号转换实现对环境光的采集和监控。如图3所示，当陀螺仪加速度计判定佩戴者处于不运动状态，且超声波传感器测得视距在[20cm,60cm]范围内时，智能眼镜判定佩戴者处于学习或工作状态。此时，自动启动检测环境光舒适度功能，分别安装于眼镜正前方及眼镜正上方的2路光电传感器TEMT6000模块开始工作采集环境中光强度信息，将环境光强度转换为微弱的电信号，再由放大电路将电信号放大，使控制器能够顺利接收到电信号。当控制器接收到电信号后，会再将电信号重新转换为相对应的光照强度数值，从而得到眼镜佩戴者前方及佩戴者上方的光照强度数值。然后，将两个环境光强度数值与预先设置的阈值进行比较，其阈值的设置采用双阈值，即设置阈值上界和下界。一般当光感模块TEMT6000的输出为[120,270]时为适宜环境光，于是可将上述阈值的上界定为270，并将阈值的下界定为120。如果2路光照强度传感器TEMT6000中的任何一路测得的光照强度超过上阈值或者低于下阈值，则蜂鸣器连续3次轻声鸣响以示报警。

计步功能，可替代常规的智能手环，它的实现可以分为信息采集和处理两个阶段。信息采集部分主要是通过陀螺仪加速度计来采集人的运动姿势。当人处于走动或者跑步时，伴随着人体运动带来的震动，其内部的陀螺仪加速度计可及时测出空间X-Y-Z三个轴向的加速度信息，并将信息发送给控制模块，信息采集阶段则完成。信息处理部分主要由控制器完成，他会根据陀螺仪加速度计采集到的信息来判断人的运动状态。当人体的震动幅度有规律的超过某个阈值，则判断人前进了一步，以此方式计量人的运动步数。当人停止运动，则意味着计量结束。其后则由控制器将处理完毕的信息通过蓝牙模块发送给用户的移动终端，用户可以从手机上读取佩戴者每天的运动步数。同样的，用户也可以通过移动终端的蓝牙模块连接上智能眼镜，对其进行简单控制实现人机交互。

计步功能可以激励人们挑战自己，增强体质，实现对日常锻炼的监控。如图4所示，MPU6050陀螺仪加速度计可以获取器件当前的X、Y、Z轴这3个轴向的加速度分量和旋转角速度。由于陀螺仪加速度计的运动方式与智能眼镜用户基本保持一致，故可以由此测出佩戴者的运动状态信息实现计步功能。采用陀螺仪加速度计测量出3个轴向的加速度值来计算佩戴者的运动步数。眼镜佩戴的方式则是固定的，故眼镜中加速度计的姿态保持不变。假设其Z轴朝上，当用户处于运动状态时，加速度计的Z轴的加速度幅值会明显高于静止时的幅值，并且围绕数值0(静止时加速度值为0，Z轴负向数值为负)呈现有规律的上下波动，如图5所示。当幅值超过一定阈值(该阈值可设置为幅值的最大值与最小值之和与1.5的比值)，则可以判定用户跨出一步，同时也要记录下单步的运动时长。用户运动的步长与用户的身高和运动速度(运动一定步数同所耗费的时间的比值，单位为步数/时间)成正比，身高越高，速度越快，则步长越长。其满足如下公式：

步长＝身高×速度×K₁

其中，身高由用户注册时提供，单位为m，而速度则由某个阶段的平均速度决定。对某个时段的跨步进行采样，通过该阶段的运动时长和步数则可以计算出该时段用户运动的平均速度。K₁为相关系数可以通过查找经验表的方式获得。

通过速度还可以计算出用户运动所消耗的热量，公式如下：

热量＝体重×速度×K₂

其中，体重由用户注册时提供，单位为kg。K₂为相关系数一般可以取值为1/400。计算出步长之后则可以依据公式计算出阶段内运动距离，公式如下：

距离＝步长×步数

计算出阶段运动距离之后，则可以进一步计算出实时速度(单位为阶段运动距离/阶段运动时间)。因为用户的运动速度在不同的阶段各不相同，所以只能通过对各个阶段的运动距离求和的方式，测量出总的运动距离。

运行平台的实际运作流程如下，如图6所示，首先每天0点智能眼镜的计步功能自动更新启动，控制器会初始化总运动步数、总时长、总距离和已消耗的热量值等参数。同时控制器开始第一轮的测量，并重置样本数值，即陀螺仪X、Y、Z轴的旋转角度和加速度值，以及阶段运动步数和阶段运动时长。之后便开始实时监控Z轴的数值变化。当人体处于运动状态时，Z轴的数值变化随时间呈现出有规律的上下波动的周期函数的图像。当Z轴的变化峰值超过阈值，则记作一步并向控制器反馈单步的时长。控制器会将总步数参数自动加1，将总时长加上新的一步的时长并更新数值。同样的，阶段运动步数和时长也如此更新数值。然后由控制器判断阶段运动步数是否达到一定步数，以判断一个运动阶段是否结束。为了方便统计，一般可以设定阈值为10步一个阶段，如果设定阶段运动步数的阈值过高，则导致速度反馈周期过长，用户无法及时了解实时运动速度。但如果阈值过低，则容易出现速度值忽高忽低的现象，导致测量结果不精确。当一个阶段结束，则可以测出该阶段内的平均运动速度，并计算出实时运动速度再反馈给用户。同时计算并更新总运动距离和已消耗的热量。然后由控制器判断测量是否结束，如果运动没有结束，则开始新一轮的测量，如果测试结束，则停止测量，计步结束。最后，控制器可以将步数通过蓝牙发送到手机终端，用户可以通过手机终端的APP上查看一天内的步数情况。

本发明智能眼镜实质上为几个传感器围绕着中央的控制器而运作。不同的传感器负责收集所需要的不同的数据信息，再交由传感器做相应的处理，这加强了人们获取真实的环境信息的能力，从而实现该智能眼镜视力保护及计步功能。同时，由于其未采用高功耗的元器件，功耗较低从而保证了该智能眼睛的长时间待机能力。

Claims (6)

1.一种智能眼镜，其特征在于：包括控制器、蓝牙通讯模块、陀螺仪加速度计、光感模块、测距模块、蜂鸣器和电源模块；

陀螺仪加速度计与控制器相连，将采集到的数据发送给控制器，控制器处理后通过蓝牙通讯模块发送到移动终端，用户从移动终端读取记步数；

光感模块与控制器相连，采集光强度信号并发送到控制器，控制器判断环境光舒适度，并通过蜂鸣器报警；

测距模块与控制器相连，测量人眼视距，并发送给控制器，控制器判断是否在安全范围，并通过蜂鸣器报警；

电源模块与控制器相连，对整个运行系统供电。

2.根据权利要求1所述的智能眼镜，其特征在于：所述光感模块为光电传感器。

3.根据权利要求1所述的智能眼镜，其特征在于：所述测距模块为超声波传感器。

4.根据权利要求2所述的智能眼镜，其特征在于：所述光电传感器获取环境光强度并转换为电信号，控制器接收电信号转换为强度数值，并与阈值相比较，如果超过或者低于阈值，则蜂鸣器发出警报；同时把相关数据发送到用户终端。

5.根据权利要求3所述的智能眼镜，其特征在于：所述超声波传感器包括发射器和接收器，超声波发射器发射超声波，控制器同时计时并等待；超声波接收器接收到折返的超声波后，停止计时；控制器处理数据计算人眼视距，并与阈值相比较，如果低于阈值，则蜂鸣器发出警报；同时把相关数据发送到用户终端。

6.根据权利要求1所述的智能眼镜，其特征在于：采用陀螺仪加速度计实时测量各个轴的分量值，当分量值超过阈值则记作一步，并向控制器反馈，控制器会将总步数参数自动加1。