基于影像感应技术的自律提醒装置
摘要
通常情况下当人们发呆时，自己是无法意识到自己正在发呆的，导致发呆的时间变得越来越长，无法按时完成原本的工作。人们也经常会被各种事务影响并转移注意力，或者无法将注意力集中在正在进行的工作当中。自律逐渐成为大多数人需要但又缺乏的品质。综合以上因素，设计一款能够提醒人们停止发呆的自律提醒装置显得格外重要。本课题主要利用红外感应装置进行工作，红外感应装置内部设置有保护膜、镜头组、红外感应片、影像传感器和线路连接基板，通过镜头组可以对学生的动作进行检测，防止学生长时间静置不动或被其他的物体吸引注意力，后续的线路连接基板将信息传输到主蜂鸣器和副蜂鸣器，当用户的行为符合提醒条件时蜂鸣器则发出警报，当用户听到警报声时将会意识到自己正在发呆，或者已经玩了很久手机，从而回归到原本的事务当中继续工作。自律提醒装置的研究可以很好的帮助人养成自律的习惯，从而解决人们经常会在工作或学习时发呆的问题，有效的提高用户的工作效率。
关键词：自律提醒，红外感应片，影像传感器，语音警报
目 录
第一章 绪 论................................................ 3
1.1研究背景..................................................................................................... 3
1.2研究现状..................................................................................................... 3
1.3研究内容..................................................................................................... 4
1.4课题创新点................................................................................................. 4
第二章 研究方法和实验........................................................................................ 5
2.1研究方法..................................................................................................... 5
2.2研究思路..................................................................................................... 5
2.3产品设计..................................................................................................... 5
2.4工作原理..................................................................................................... 7
2.5实验过程..................................................................................................... 7
第三章 实验结果分析............................................................................................. 8
第四章 总结与展望............................................................................................... 10
参考文献.................................................................................................................. 11
第一章 绪 论
1.1研究背景
自律是当今社会人们普遍缺乏的一项品质，也是人们无论是工作还是学习当中都极其需要并且能够令他们事半功倍的一件极为实用的工具。但手机以及各类线上消遣娱乐的活动的出现，导致人们的注意力极其容易受到干扰。比如正在写作业的学生，当其准备写作业时很有可能会被手机上的消息所打扰，导致其无法正常完成作业，将时间过多的耗费在例如打游戏，聊天，刷抖音这些事情上面。本产品的研发可以通过语音提醒使用者的方式，将其注意力拉回到原本正在进行的工作上，帮助使用者更好的提高自控力，从而有效的让其变得更加自律，提高自我的办事效率。
1.2研究现状
目前在提醒装置这部分的研究当中，在医学方面有标签式输液提醒装置，通过采用平面电容传感器实时监控输液瓶或输液袋的液位变化，用无线传输模块将信息传送至护士站，提醒护士前去拔针，提高了输液提醒的效率。除此之外，也有基于人体感应，通过在系统内集成语音词库和匹配算法实现对垃圾的自动分类提示，并在对应的垃圾投入口设置声光提示，提醒住户按照要求进行垃圾分类的提醒装置。毕仕强[1]也曾将提醒装置运用在开车久坐方面，通过重力加速器以及心率变化去判断用户所处状态，若判断属于久坐状态，装置将开始计时并给予提醒。在动作捕捉这方面，先前也已经有了关于将动作捕捉运用于制造仿真机器人的研究，通过三维光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的运动位置坐标,分析数据,获取人体步态行走时的关节角度及下肢各关节力矩变化规律。也有将动作捕捉技术运用的例子，曲慧佳[2]利用动作捕捉技术识别以及录入舞蹈动作，形成智能化的舞蹈教学。
1.3研究内容
本课题研究了一款通过语音提示的方式提醒人们保持自律的装置，避免注意力被外部环境的噪音、物品及其他事物分散。该装置包括红外线装置、主蜂鸣器、副蜂鸣器、USB接口、导线以及开关。红外线装置内部设置有保护膜、镜头组、红外感应片、影像传感器和线路连接基板，通过镜头组可以对使用者的动作进行检测，防止学生长时间静置不动或被其他的物体吸引注意力，线路连接基板将信息传输到主蜂鸣器和副蜂鸣器，蜂鸣器可以对使用者进行提醒，减少学生发呆时间，提高学习效率，使用户养成自律的习惯。
1.4 课题创新点
（1）通过红外感应装置，红外感应装置内部设置有保护膜、镜头组、红外感应片、影像传感器和线路连接基板，通过镜头组可以对使用者的动作进行检测，防止使用者长时间静置不动或被其他的物体吸引注意力，后续的线路连接基板将信息传输到主蜂鸣器和副蜂鸣器，蜂鸣器可以对学生进行提醒，减少使用者发呆时间，提高学习效率。
（2）通过主动齿轮，镜头组需要跟随使用者移动，当使用者移动时，伺服电机启动带动主动齿轮旋转，然后主动齿轮带动啮合的从动齿轮旋转，使从动齿轮带动转动球360°旋转，便于对使用者进行实时监测。
（3）本课题研究的自律提醒装置相对于其他类型的提醒装置结构组成相对简单，装置安装的工作量相对较小。所使用的工具也比较常见，在网上即可购买，并不需要寻找任何特殊的供应商以及器件来源。
第二章 研究方法和实验
文献查阅法：通过对相关文献进行查阅、总结，得出目前自律提醒装置的研究现状，为后续的研究提供理论基础。
问卷调查法：针对本课题的研究内容设置了调查问卷，通过发放调查问卷的形式了解用户在日常学习或者办公时是否被发呆、手机信息等其他因素所干扰，用户是否愿意使用自律提醒装置去帮助自己变得更加自律，以及自律提醒装置的存在是否具有现实意义。本次一共发放200份调查问卷，收回198份，其中有效问卷为195份，问卷有效率为98.5%。
实验法：对自律提醒装置进行搭建并实验，探究自律提醒装置是否可以正常工作，能否达到预期的提醒效果。
2.2研究思路
作者产生设计制造这款自律装置的想法，是因为很多人会对手机信息或者发呆之类的事情而感到困扰，并有很多被这些因素影响的案例存在。通过分析该装置中各个电子元器件的型号以及品牌，挑选出适合的电子元器件再以合理的方式进行组装组合，以此来确保装置基本的外观模型以及内部结构的组成方式。在此之后再将装置置于不同的环境当中，检测装置是否能在不同的环境下正常运行，在哪些特定的环境中运行会存在问题，避免用户在使用时因为使用或存放方式不当而造成任何意外。
自律提醒装置设计如图2-1所示，包括底座和红外感应装置，底座一侧的外壁设置有显示面板，底座外壁的一侧设置有USB充电口，底座外壁的另一侧设置有连接杆，连接杆前端开设有卡合槽，底座顶部开设有固定槽，底座内部的底部设置有蓄电池，底座内部的中间设置有伺服电机，伺服电机输出端设置有传动轴，传动轴一端设置有主动齿轮，底座内壁的顶部设置有从动齿轮，从动齿轮顶部设置有旋转板，旋转板顶部设置有支撑杆，支撑杆一端设置有转动球，转动球外壁设置有主蜂鸣器，转动球一侧的底部设置有副蜂鸣器，红外感应装置设置于转动球的外壁。
（a）立体图 （b）第二视角立体图
（c）立体剖面图 （d）红外感应装置展开图
图2-1自律提醒装置设计图
1-底座、2-显示面板、3-USB充电口、4-连接杆、5-卡合槽、6-固定槽、7-蓄电池、8-伺服电机、9-传动轴、10-主动齿轮、11-从动齿轮、12-旋转板、13-支撑杆、14-转动球、15-主蜂鸣器、16-副蜂鸣器、17-红外感应装置、1701-外壳、1702-保护膜、1703-镜头组、1704-红外感应片、1705-影像传感器、1706-线路连接基板。
2.4工作原理
在使用者学习或工作时，需要使用到自律提醒装置防止使用者在学习或工作的过程中发愣，将底座放置在桌面上，然后镜头组将拍摄的信息传输到红外感应片，然后红外感应片将信息处理完成之后传输到影像传感器，影像传感器对拍摄的信息进行分析之后启动伺服电机，使伺服电机输出端通过传动轴带动主动齿轮旋转，然后主动齿轮带动啮合的从动齿轮旋转，从动齿轮带动旋转板在固定槽的内壁转动，使旋转板通过支撑杆带动转动球转动，然后转动球带动红外感应装置与学生对齐。
当使用者长时间动作不同或被外界的声音吸引时，镜头组将拍摄的信息传输到影像传感器，影像传感器对图像进行分析，然后启动主蜂鸣器和副蜂鸣器对学生进行提醒，减少发呆时间，提高学习效率，同时设置的USB充电口可以对蓄电池进行充电，蓄电池分别对红外感应装置、伺服电机、主蜂鸣器和副蜂鸣器进行供电，同时在底座外壁设置的卡合槽可以对学生日常使用的文具进行固定，便于学生拿取。
2.5实验过程
从市面上挑选三种摄像头，分别是普通摄像头、360°全景摄像头以及openCV视觉开发系统，经过对比分析这三类摄像头的优缺点，最终决定使用openCV视觉开发系统作为影像识别传感器。挑选完各类电子元器件之后又进行了关于环境与装置工作运行的实验，先后将装置放于强光、弱光、紫光、台灯常规光线强度以及黑暗的环境当中使装置尝试正常运行。将装置放在相对应的环境之后再启动程序，通过观察蜂鸣器对于人体状态的反应去判断装置是否能正常运行，摄像头是否会因为光线的改变而无法捕捉到人像，再将观察到的现象与实验过程中遇到的问题记录下来。检测完光线对于装置运作的影响，又检测了不同气候和温度下装置的运行情况，分别将装置放置在干燥，湿润，高温还有低温的环境当中开启装置，观察装置在运行时所给出的反应，还有存放时间长时间后装置与一开始的变化。
图2-2实验过程照片
第三章 实验结果分析
经过反复多次实验过后，结合实验期间记录下的数据以及装置的反应可以有效地分析出该装置的适用场合以及环境。在选择摄像头时由于相对于市场上普遍的摄像头，openCV可以更好的追踪人体，所配备的亚克力固定板也降低了摄像头旋转时掉落的风险，旋转的速度更快比普遍的摄像头更加灵活所以并没有选择普遍的摄像头。而360°全景摄像头虽然在追查用户时不会存在死角比较灵活，但是成本太高，OpenCV的视觉开发套件相配备有15.6英寸的高清屏，可以更好的用于实验的记录以及装置运行过程的观察，相对于全景摄像头也更加实惠。在不同光线的实验当中，经过观察我们发现在全暗的环境下OpenCV并不能侦测到人体所处位置以及状态。在强光的情况下，摄像头会因为强光造成的反光所影响，导致摄像头部分区域有白块出现限制了摄像头所能看到的图像，导致用户无法被正常检测到。紫光时由于整体色度偏暗，虽然摄像头依旧可以有效地检测到动作的改变和移动，但是中途仍旧有误差出现，摄像头会在短时间内丢失检测目标。在此之后进行关于气候和温度对装置的影响时，根据记录发现当气候非常湿润的时候装置的运行会有一些问题，但依旧可以运行，大概率是因为空气中的水分过多容易飘进仪器当中，导致对装置会有一些细微的影响。在低温的情况下，一开始装置并没有什么影响，但是当该装置处于低温环境中长期存放一段时间后装置表面会变得更加坚硬，对于装置的运行没有过多的影响。在高温的情况下仪器依旧可以正常运作，但是在长时间工作之后物体表面的温度会大幅度上升，装置中添加的4B散热片可以帮助解决这个问题。
四、总结与展望
经过一段时间的研究，自律提醒装置已经有了大致的雏形，自律提醒装置有效地判断用户是否处于发呆的状态并且给予提醒，帮助用户变得更加自律。对于不同环境下装置的运行实验，使课题的研究更加的完善并且客观。针对该课题的研究依旧有许多需要改进的地方。比如蜂鸣器可以有效地对用户提到提醒的作用，但如果能够使提醒的音效变得可以让用户自己编辑，去录入或者输入自己喜欢的提示音，可以更好的提高用户使用该装置的体验感，使装置更加富有吸引力。在未来，该课题依旧有许多的发展空间，自律提醒装置可以增加更多的功能去帮助用户获得更好的使用体验。例如增加奖罚功能，对于可以保持自律的用户给予一定的夸赞作为奖励，对于那些一直无法保持自律需要装置不断提醒的用户，可以增加一些特殊音效鼓励用户在下次工作时努力使自己更加自律。
参考文献
[1]毕仕强,林倩倩,谢宏斌.将久坐提醒装置应用于汽车装备的建议与设想[J].产业与科技论坛,2020,19(15):60-61.
[2]曲慧佳.三维人体动作及其在智能舞蹈教学中的运用策略[J].艺术教育,2021(11):122-125.
[3]王文远,富荣昌,曹富.基于动作捕捉技术对仿人机器人运动学分析与步态仿真[J].机械传动,2021,45(08):110-117.
[4]胡思翔. 基于三维多人姿态估计的动作捕捉设计[D].广东工业大学,2021.
[5]周生宵,瞿惠琴.标签式智能输液提醒装置[J].电子元器件与信息技术,2021,5(07):233-234+236.
[6]朱宇轩,吴腾飞,陈崧.城市生活垃圾分类自动提醒与查询装置设计[J].电脑与电信,2021(Z1):7-10.
[7]毕仕强,林倩倩,谢宏斌.将久坐提醒装置应用于汽车装备的建议与设想[J].产业与科技论坛,2020,19(15):60-61.
[8]孙峰辉,张根莱,刘成源,万霖.汽车安全带提醒装置发展与新设想[J].中国新技术新产品,2019(17):124-125.
[9]潘东亮.机车乘务员精神状态预警提醒装置研制及应用[J].科技创新导报,2019,16(21):107-109.