基于头部姿态的用眼距离采集装置和方法与流程

本发明涉及一种基于头部姿态的用眼距离采集装置和方法。

背景技术：

少年儿童自我控制能力相对较差，学习过程中，坐姿经常出现一些不良习惯，比如坐姿不正，阅读书写时用眼距离太近等等。如果对学生学习坐姿进行采集记录，反映存在的问题，可以有效帮助少年儿童的成长。穿戴设备由于受体积限制，电池续航能力有限，如何降低功耗是关键，同时，对多个传感器采集的数据，如果记录数据过多，随着时间积累，数据量越来越大，不便于存储和后续处理分析。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于头部姿态的用眼距离采集装置和方法，通过头部姿态控制用眼距离的采集记录，降低能耗，简化数据记录。

本发明的内容，一种基于头部姿态的用眼距离采集装置，包括：头戴式框架，置于框架上的头部姿态传感器、用眼距离传感器、微处理器、存储器，其特征是头部姿态传感器采集头部姿态信号，传送微处理器；如果当前头部姿态处于设定范围，微处理器控制用眼距离传感器采集用眼距离，传送存储器记录；当头部姿态发生变化，微处理器计算本次头部姿态稳定的时间，作为本次用眼距离持续时间，传送存储器记录；如果当前头部姿态仍处于设定范围，微处理器控制用眼距离传感器采集新的用眼距离，存储器记录新一轮的用眼距离和持续时间。

本发明另一个内容，一种基于头部姿态的用眼距离采集记录方法，其特征包括头部姿态传感器采集头部姿态信号；如果当前头部姿态处于设定范围，控制用眼距离传感器采集记录用眼距离；当头部姿态发生变化，记录本次头部姿态稳定的时间，作为本次用眼距离持续时间；如果当前头部姿态仍处于设定范围，控制用眼距离传感器采集新一轮的用眼距离，记录新一轮的用眼距离和持续时间。

本发明通过头部姿态控制用眼距离的采集记录，把头部姿态传感器作为第一传感器，头部姿态数据的采集贯穿整个记录过程，用眼距离传感器作为第二传感器，根据头部姿态的状态、变化采集用眼距离数据。由于头部姿态传感器功耗相对距离传感器较低，可以省电；两种数据配合，可以滤掉次要的干扰数据，比如，当头部姿态向下俯视，处于书写阅读姿态时，用眼距离近，控制测距传感器采集用眼距离，可以避免平视、仰视等状态下用眼远距离的无用采集和记录，同时只有头部姿态发生变化，用眼距离才会发生改变，避免用眼距离的重复采集和记录，通过记录用眼距离和其持续时间这种点、线结合方式，节省存储空间，并便于后续数据处理。

附图说明

图1是用眼距离采集装置的配置框图。

图2是用眼距离采集电路原理示意图。

图3是头部姿态采集电路原理示意图。

图4是用眼距离采集记录控制流程图。

具体实施方式

在图1所示的配置框图中，包括头部姿态传感器、用眼距离传感器、微处理器、存储器，微处理器分别与头部姿态传感器、用眼距离传感器、存储器相连。头部姿态传感器采集头部姿态数据传送至微处理器分析处理；微处理器根据头部姿态数据控制用眼距离传感器采集用眼距离数据，传送存储器存储。

所述头部姿态数据包括头部倾角、脸部方向中的一种或多种。头部姿态传感器包括加速度传感器、陀螺仪、地磁传感器中的一种或多种，用眼距离传感器包括红外线测距仪、超声波测距仪、激光测距仪中的任一种。下面分别通过ADXL345加速度传感器监测头部姿态、GP2D12红外线测距仪监测用眼距离为例，说明本发明的具体实施方式，其中微处理器采用具有存储器的ADuC7024，通过UART进行编程，SW2和SW3分别是复位和下载开关， SW1是电源开关。在以下电路原理示意图中，显示了通信连接，未显示去耦和所有连接。

在图2所示用眼距离传感器的电路原理示意图中，红外测距传感器GP2D12的探测范围10~80cm，对应输出2.55~0.42V的模拟电压，测距与电压成反比。微处理器ADuC7024的模拟输入端ADC4与红外测距传感器GP2D12的输出端Vout相连，接收红外测距传感器GP2D12输出的模拟信号。红外测距传感器GP2D12输入的模拟电压，经微处理器ADuC7024内部转换成数字电压。

在图3所示加速度传感器的电路连接原理示意图中，微处理器ADuC7024和数字加速度传感器ADXL345通过4线式SPI进行通信，引脚8、9是中断控制。加速度传感器ADXL345置于头部，用来监测头部姿态，当头部发生倾斜时，重力在X、Y、Z三个轴向的重力分量输出信号发生改变，输出的大小与3个轴向与竖直方向的夹角有关，轴向与竖直方向的夹角越小，其输出就越大，反之，输出就越小。通过3个轴向输出的重力分量大小，可以推出3个轴向与竖直方向夹角，从而解算出头部倾角信息。

头部姿态传感器采集头部姿态信号；如果当前头部姿态处于设定范围，控制用眼距离传感器采集记录用眼距离；当头部姿态发生变化，把本次头部姿态稳定的时间，作为本次用眼距离持续时间；如果当前头部姿态仍处于设定范围，控制用眼距离传感器采集记录新一轮的用眼距离和持续时间。在图4所示用眼距离采集记录控制流程图中，具体步骤如下：

<1> 通过头部姿态传感器采集头部姿态信号，进入下一步；

<2> 判断当前头部姿态是否处于设定范围？如果是，进入下一步，如果否，转入步骤<6>；

<3> 判断当前头部姿态是否发生变化，如果否，进入下一步，如果是，转入步骤<6>；

<4> 判断当前头部姿态下是否需要采集用眼距离，即采集次数N是否小于设定值K？如果是，即N<K，进入下一步，如果否，即N>=K，转入步骤<1>；

<5> 采集当前用眼距离，令采集次数N=N+1，转入步骤<1>；

<6> 判断是否采集过用眼距离，即采集次数N>0？如果是，进入下一步，如果否，转入步骤<1>；

<7> 记录用眼距离和持续时间，令采集次数N=0，转入步骤<1>。

所述头部姿态设定范围包括书写或阅读时的头部姿态，此时用眼距离近，属于用眼距离监控范围，避免在平视、仰视等状态的运距离采集记录，进而节省电源和存储空间。

所述头部姿态发生变化包括头部姿态波动大于设定阈值，或头部姿态数据由一个分段区段落入另一个分段区段。所述变化包括M个头部姿态数据中有N个数据发生变化，或连续M时段头部姿态数据中有N时段数据发生变化，其中，M大于N，N为连续或不连续。当头部姿态向下俯视，处于书写阅读姿态时，计算M个（如5、10个…）头部姿态数据平均值，或计算M时段（如5、10秒…）头部姿态数据平均值，如果这M个数据中有N个数据与平均值的差绝对值即波动均大于设定值，或者M时段数据中有N时段数据与平均值的差绝对值即波动均大于设定值，可以判定头部姿态发生变化，控制用眼距离传感器采集用眼距离。如果设定头部姿态分段区间，在M个头部姿态数据中有N个数据落在新的区段，或M时段头部姿态数据中有N时段数据落在新的区段，可以判断头部姿态发生变化。根据多个头部姿态数据判断其变化，可以避免单个异常头部姿态数据，或偶尔出现的头部姿态异常数据造成的影响。对改变后的头部姿态的变化判断，可以对新的采集数据进行统计分析，也可以把在上一姿态中的N个数据作为新姿态数据进行统计分析。

所述持续时间包括当前头部姿态的开始和结束时间，或当前头部姿态开始和结束采集序次，或当前头部姿态稳定时长，或当前头部姿态累计采集频数。如果头部姿态采集时间间隔固定不变，采集序次与采集时间间隔的乘积，就是自采集序次开始以来的累计时间长度。采集开始的时间一旦确定，其后的采集时间便可以通过采集序次进行换算，两次采集序次之差是采集频数，与采集间隔的乘积是累计时长。本发明用头部姿态的稳定时间，反映该姿态下的用眼距离保持时间，简单易行。

设定值K是一个头部姿态稳定时段用眼距离最大采集次数，最小值为1。通过改变设定值K，可以调整在头部姿态一个稳定时段内的用眼距离采集次数，根据头部姿态稳定时间长短调整K值大小，当头部姿态稳定时间比较长，其间多采集几次用眼距离，记录这几次的用眼距离平均值。

进一步优化，所述采集装置还包括数据传输模块，通过有线或无线方式把存储器中记录数据传输到外围设备。数据传输模块可以是存储卡等介质，直接传送记录数据，或传输模块通过RS232或USB等有线方式，或者以蓝牙或射频或zigbee或wifi技术等无线方式传输记录数据到网络服务器、手机或PC机等外围设备处理。

进一步优化，所述装置包括提醒装置，当头部姿态、或用眼距离超出设定提醒值时，微处理器启动提醒装置。提醒装置可以是光、声、震动、微电刺激、骨传导技术等，在图2、图3中，微处理器启动LED灯变亮。