家庭智造:智能坐姿提醒器

王寧

編者按：今年，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)有望提上議事日程?！坝媒逃畔⒒苿?dòng)教育現(xiàn)代化”，現(xiàn)在的人們生活在一個(gè)家庭、學(xué)校、社會(huì)融合發(fā)展的共同體當(dāng)中，因此，信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)專欄也會(huì)與時(shí)俱進(jìn)，推出“家庭智造”“信息科技典型實(shí)驗(yàn)”“數(shù)字科學(xué)”“創(chuàng)客產(chǎn)品”四個(gè)選題，從家庭教育、信息技術(shù)學(xué)科建設(shè)、信息技術(shù)與學(xué)科深度融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展四個(gè)維度來看信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展。這樣設(shè)計(jì)，一方面是期望從學(xué)科發(fā)展的層面通過開展信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)提升學(xué)科專業(yè)性，另一方面也期望拓展信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域，在規(guī)范內(nèi)核的同時(shí)拓展外延，因?yàn)椤艾F(xiàn)代化”究竟是什么樣子，答案就在我們的手中。

家庭是社會(huì)創(chuàng)新的最小單位，伴隨著桌面化加工設(shè)備和開源硬件的普及，人們?cè)诩依锞涂梢灾圃斐龊芏嘤袑?shí)用功能的智能家具。這就像“家庭廚房”的一個(gè)升級(jí)版本，通過學(xué)校普及創(chuàng)客技能，讓更多的家庭有這樣的設(shè)施設(shè)備和家庭文化，讓“智造”成為一種“家風(fēng)”、一種終身學(xué)習(xí)的有效方式，這也是創(chuàng)客教育的發(fā)展方向之一。

今天這件作品，出自我作為指導(dǎo)教師的I創(chuàng)·創(chuàng)客社團(tuán)，小創(chuàng)客是這樣描述設(shè)計(jì)初衷的：我的爸爸有很明顯的駝背，究其原因，很可能是長時(shí)間伏案學(xué)習(xí)導(dǎo)致的，不知是不是遺傳的因素，我也有輕微的駝背，所以他很著急，經(jīng)常提醒我要端正讀寫姿勢(shì)，爸爸還為我購買了糾正背帶和防近視坐姿矯正器，可這兩樣?xùn)|西我都不太喜歡，一個(gè)不能從根本上預(yù)防，戴著不舒服，另一個(gè)對(duì)課桌的要求太高，帶到學(xué)校也不方便，同學(xué)們看見了，會(huì)認(rèn)為我太另類。所以我就想能不能制作一個(gè)只有信用卡大小的電子坐姿提醒器，既方便攜帶，又能像爸爸一樣的提醒我。這個(gè)選題很適合在家庭中完成，并且可以在居家使用的過程中不斷改進(jìn)。

作為指導(dǎo)教師，我為他完善了以下兩點(diǎn)：

一是增加一個(gè)時(shí)間控制，45分鐘或者30分鐘，時(shí)間點(diǎn)到了，提醒學(xué)生休息。

二是增加一個(gè)顯示屏，所有的信息都可以通過屏顯來了解。

● 設(shè)計(jì)思路

①需要一個(gè)距離傳感器來測(cè)出人腦離書本的距離。

②需要一小屏幕來顯示距離是否正確、學(xué)習(xí)時(shí)長、表現(xiàn)等信息。

③需要一個(gè)蜂鳴器，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤的坐姿時(shí)，用聲音來提醒學(xué)習(xí)者。

④45分鐘的時(shí)間到了，蜂鳴器與屏顯都會(huì)提醒學(xué)習(xí)者休息，并根據(jù)學(xué)習(xí)者在45分鐘內(nèi)的坐姿情況給出一個(gè)結(jié)論。

● 硬件準(zhǔn)備

坐姿提醒器是一個(gè)桌面家具，所以主控和各種傳感器都要盡可能小，由于涉及一些并不常用的設(shè)備，這里需要詳細(xì)介紹一下。

主控：主控用的是DFrobot生產(chǎn)的Beetle BLE控制器，它的體型小，只有SD那么卡大，如上頁圖1所示。

輸出模塊：采用Gravity I2C OLED-2864顯示屏。相比傳統(tǒng)的LCD，OLED具備更快的響應(yīng)速度和更輕薄的體積優(yōu)勢(shì)，屏幕厚度可以小于1毫米，僅為LCD屏幕的三分之一左右，且功耗更低，抗震性好，可以廣泛應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備的顯示應(yīng)用上。配合一些mini的Arduino主控器，如Beetle、CurieNano等小板，完全可以自己制作一款帶顯示功能的智能穿戴設(shè)備（如上頁圖2）。蜂鳴器用的是Dfrobot生產(chǎn)的數(shù)字蜂鳴器模塊，如圖3所示。

輸入模塊：博光-50NK，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)（如圖4），在這里我們將其用于檢測(cè)人腦與書桌的距離。

供電設(shè)備：電池用的是3.7V 500mAh可充電鋰電池，體型盡可能要小。1A鋰電池充電與保護(hù)一體TP4056電源模塊板如圖5所示。

● 硬件鏈接（如圖6）

①Beetle控制器I2C OLED-2864顯示屏，用到SDA、SCL兩個(gè)引腳，I2C OLED-2864顯示屏一共有四個(gè)針腳，Vcc和Gnd可以接在Vcc和Gnd上，SDA、SCL兩個(gè)引腳則要接在控制器SDA、SCL的兩個(gè)針腳上。

②博光-50NK光電傳感器，屬于數(shù)字模塊，所以它接在了控制器的D2腳。

③數(shù)字蜂鳴器模塊接在了控制器的D3腳。

④鋰電池與充電模塊、自鎖開關(guān)及控制器的焊接。

● 情景呈現(xiàn)

當(dāng)人的頭部距離書本太近，小于20厘米時(shí)，光電開關(guān)的指示紅燈就會(huì)亮，達(dá)到了觸發(fā)條件，蜂鳴器就會(huì)響，提示坐姿不正確。直到恢復(fù)正確的坐姿，蜂鳴器才會(huì)停止聲響。坐姿矯正器還有計(jì)時(shí)的功能，當(dāng)我們看書或者寫字時(shí)間超過45分鐘時(shí)，蜂鳴器也會(huì)提示我們休息10分鐘。

矯正器的正面有一個(gè)OLED顯示屏，顯示屏有四行，第一行顯示的是已經(jīng)學(xué)習(xí)了多少分鐘，第二行顯示坐姿是否正確（R正確，W錯(cuò)誤），第三行提示保持正確的坐姿，第四行顯示在這段時(shí)間內(nèi)，有多少次錯(cuò)誤的讀寫姿勢(shì)。45分鐘的學(xué)習(xí)時(shí)間之后，如果錯(cuò)誤次數(shù)少于5次顯示Good job鼓勵(lì)，否則顯示W(wǎng)arning警告語言（如圖7）。

● 程序原理

項(xiàng)目采用的是Mixly米思齊0.995，Mixly是模塊化編程入門最簡單的軟件之一，它不是針對(duì)哪一類型的硬件設(shè)計(jì)的，能兼容很多流行的硬件，所以在中小學(xué)創(chuàng)客教育中有著廣泛的應(yīng)用。需要注意的是，編程的時(shí)候要調(diào)整為高級(jí)視圖，否則就看不到與I2C OLED-2864顯示屏相對(duì)應(yīng)的模塊。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。

圖形化程序如圖9所示，在這里使用變量mistake來表示用戶是否出現(xiàn)了坐姿不規(guī)范的情況，并且同時(shí)用蜂鳴器的音效來提醒用戶，與此同時(shí)用變量time來記錄用戶的學(xué)習(xí)時(shí)間，當(dāng)學(xué)習(xí)時(shí)間超過45分鐘后會(huì)提醒用戶休息。

目前，開源硬件的各種性能越來越接近手機(jī)。可以預(yù)見的是，開源硬件將會(huì)越來越多地像手機(jī)一樣融入到我們的生活。所以，如何在移動(dòng)終端進(jìn)行個(gè)性化的學(xué)習(xí)是一個(gè)值得我們繼續(xù)深入探討的話題。