CN109814278A - 一种预防青少年近视的眼镜设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种预防青少年近视的眼镜设备，解决了现有技术日常使用不便、功耗较高等问题。该眼镜设备包括镜架、镜片及嵌入到镜架中的智能感知处理电路组成，所述智能感知处理电路包括微控制器、佩戴传感器、姿态传感器、测距传感器、告警器和电池；佩戴传感器、姿态传感器和测距传感器的信号输出端分别与微控制器的信号采集输入端连接，微控制器的多个控制输出端分别相应与姿态传感器、测距传感器和告警器的状态控制输入端连接；所述佩戴传感器作为智能感知处理电路的启动开关；微控制器根据姿态传感器的输出信号，控制测距传感器的工作状态；微控制器根据测距传感器的输出信号，控制告警器的工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种预防青少年近视的眼镜设备。
背景技术
数据显示，我国高中生和大学生的近视比例已超过70％，很多孩子从小学、初中起就开始戴近视镜。上班族中，很多人都面临长时间面对电脑，熬夜加班，工作任务重，眼部疲劳无法缓解的困扰。
目前，通过控制青少年佩戴者阅读、书写时眼睛与书或桌面的距离来预防青少年近视的眼镜设备方案很多，但都是作为一个在阅读、书写时才佩戴的特殊设备使用，使用非常不便。具体来说：
(1)眼镜设备需携带大体积电池和复杂电路，功耗较高，外观笨重。如：
专利文献CN201610802871.4《一种智能近视眼镜》没有考虑低功耗问题，警报器、多个激光管和没有节能工作模式，使得该方案功耗非常高，因此只能采用大容量电池导致外观笨重，影响日常佩戴。
专利文献CN201620088540.4《一种学生用防疲劳防近视眼镜设备》通过在眼镜外另外设置一个通过杜邦线与眼镜相连的盒子，将供电电池和主要电路置于盒子中，解决感知处理电路重量重、功耗高的问题，根本不符合眼镜的日常佩戴习惯。
专利文献CN201720629795.1《一种新型带有预警功能的防近视眼镜》设计时不考虑功耗和节能问题，甚至还要发射无线信号，使得该设备只能短时间使用。
(2)没有充分考虑用户体验，容易产生虚警，只能在佩戴者阅读、书写时使用。如：
专利文献CN201610802871.4《一种智能近视眼镜》提出了阅读、书写时坐姿和视距控制，相互配合保持佩戴者良好的阅读、书写习惯，但如果佩戴者在阅读、书写外正常佩戴，会引起设备告警，因此不能日常佩戴。
专利文献《CN201610502298.5-防近视眼镜》、CN201721465940.3《超声波测距防近视眼镜》需要佩戴者在使用时按下按钮开关，距离控制才能生效，这使得这个眼镜设备使用时非常繁琐，不符合人们佩戴眼镜的习惯。
专利文献CN201720325350.4《学生防近视眼镜装置》、CN201710133404.1《距离传感式防近视眼镜》只要距离过近就会发出告警，使得该案只能在阅读、书写时佩戴，其他时候(比如喝水)佩戴，也会发出告警，使用不便。
发明内容
本发明提供一种预防青少年近视的眼镜设备，解决了现有技术日常使用不便、功耗较高等问题。
本发明的解决方案如下：
该预防青少年近视的眼镜设备，包括镜架、镜片及嵌入到镜架中的智能感知处理电路组成，所述智能感知处理电路包括微控制器、佩戴传感器、姿态传感器、测距传感器、告警器和电池，实现佩戴感知功能、姿势感知功能、视距控制功能、保护提醒功能和功耗管理功能；其中：
佩戴感知功能是通过位于镜架与皮肤接触的部位的所述佩戴传感器，测量镜架是否与佩戴者皮肤接触，判断眼镜设备是否被佩戴；佩戴传感器兼作智能感知处理电路的启动开关；
姿势感知功能是通过所述姿态传感器测量方位角和加速度，同时结合时间参数，判断被佩戴者的姿态是否处于阅读书写姿势；
视距控制功能是通过所述测距传感器测量镜架与目光正视方向物体的距离，同时结合时间参数，判断被佩戴者视距是否正常；
保护提醒功能是通过所述告警器提醒佩戴者；
功耗管理功能包含一系列工作状态的转换，具体包括：在初始状态下，只有佩戴感知功能工作，智能感知电路其余部分处于关闭或节能状态；当佩戴感知功能判定为眼镜设备被佩戴时，姿势感知功能工作，否则处于关闭或节能状态；当姿势感知功能工作且判定为阅读书写姿势时，视距控制功能工作，否则处于关闭或节能状态；当视距控制功能判定阅读书写距离过近时，保护提醒功能工作，否则处于关闭或节能状态。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
所述智能感知处理电路的主体安装于镜架中部(对应于鼻梁的位置)，佩戴传感器单独设置于镜架的鼻托或镜腿处。
所述佩戴传感器为电容传感器、压力传感器、电感传感器、电阻传感器或者湿度传感器。
所述测距传感器为红外测距传感器，镜架留有红外测距传感器工作所需的光窗；或者测距传感器为超声传感器。
所述姿态传感器为六轴陀螺仪或三轴陀螺仪。
所述告警器为LED发光告警器，能够横向向镜片发光闪烁告警或者前向向目视物体发光闪烁告警。当然也可以是持续发光。
所述电池为充电电池，智能感知处理电路相应设置有镜架充电口；镜架充电口为与充电器适配的接触式连接器。电池也可为小尺寸的一次性电池，则不需要充电口。
所述镜架充电口靠近镜架中部的下边缘，镜架充电口的朝向与镜片所在平面一致；所述充电器具有凸起，与镜架中部的形状相适配，充电器的充电口设置与凸起顶端。
本发明具有以下有益效果：
该眼镜设备外观自然，佩戴传感器相当于眼镜设备的“开关”，无需另外设置开关按键；同时，基于佩戴传感器、姿态传感器、测距传感器的功耗管理使智能感知处理电路待机功耗极低，只需要容量很小的供电电池，从而可以使得该眼镜设备外观和重量与普通眼镜无异，同时也极大地方便了佩戴者，符合日常佩戴习惯。
本发明充分考虑到了用户实际使用的各种场景，通过佩戴者姿势判断、视距距离判断等，避免了佩戴者在非阅读、书写时刻(例如喝水时)误提醒，解决了常规产品用法繁琐、只能在阅读书写时佩戴的缺点，使得该眼镜日常佩戴成为可能。
LED灯发光闪烁告警的方式减少了电池和电路的尺寸，使得眼镜美观且进一步降低了功耗。尤其是横向向镜片发光闪烁告警，利用了镜片的导光原理(通过在眼镜框内的LED告警器向镜片闪烁发光，由于镜片的折射率高于空气，会产生一个导光效果，使得镜片闪烁达到告警效果)，只需要很微弱的光，所需功耗极低，在功耗方面远优于其他告警方式，且效果很明显。测试表明，LED发光告警器只需要2mA左右的电流，其功率远低于用基于声音告警器或震动告警器。
充电接口结构简明、工作可靠，充电过程不会触碰污染镜片。
附图说明
图1为眼镜设备及其充电器的外形示意图。
图2、图3为图1的局部细节示意图。
图4为智能感知处理电路硬件组成示意图。
图5为智能感知处理电路***框图。
图6为智能感知处理电路总体工作架构图。
图7为智能感知处理电路的基本工作原理图。
图8为佩戴该眼睛设备的示意图。
图9为佩戴者阅读、书写时姿势感知功能的示意图。
图10为佩戴者阅读、书写时视距控制功能的示意图。
图11、图12为两种发光告警提醒的示意图。
图13为功耗管理功能的工作逻辑流程图。
具体实施方式
(一)眼镜设备外观、主要组成位置：
如图1、图2和图3所示眼镜设备具体实现的外观和主要组成位置。
(1)眼镜设备由4个部件组成，包括：镜架1、镜片4、嵌入到镜架中的智能感知处理电路3、外置的充电器15。
(2)智能感知处理电路3嵌入在镜架1中，具***置为佩戴者鼻梁处。
(3)镜架1的鼻托2上，嵌有佩戴传感器10(智能感知处理电路3的一部分)。
(4)镜架1留有测距传感器6工作所需的光窗13，用于支持测距传感器6的工作。
(5)当眼睛设备需要充电时，将镜架1放置在鞍形的充电器15上，通过镜架充电口11和充电器充电口14的接触，对眼睛设备进行充电。
(6)发光告警器9位于镜架1与镜片4接触的位置上，通过镜片4的导光作用，向佩戴者告警。
(二)智能感知处理电路硬件组成及功能：
图4中所示为智能感知处理电路硬件组成和功能：
(1)控制器5是整个电路的运算核心，可以是一个单片机或微控制器，负责运行智能感知处理电路的软件。
(2)测距传感器6是一个飞行时间(TOF)红外测距传感器MEMS或其他小尺寸低功耗测距传感器，测距方向与佩戴者目光聚焦处相近，通过镜架1上预留的光窗13(窗口需要支持相关测距物理信号的穿透)测量镜架1和目光聚焦处物体的相对距离。
(3)电路板7负责智能感知处理电路所有部件间的互联和支撑，基于高密度组装技术，其尺寸非常微小。
(4)电池8为小尺寸、低容量的可充电电池。也可为小尺寸的一次性电池，此时就不需要充电口。
(5)发光告警器9能够通过发光闪烁向佩戴者告警，具体可以是一个低功耗LED或低功耗激光管，可以通过横向向镜片发光闪烁告警，也可以前向向目视物体发光闪烁告警。
(6)佩戴传感器10能够通过判断是否与皮肤紧密接触，进而判断眼镜设备是否被佩戴。佩戴传感器10可以是电容传感器或者压力传感器，电容传感器通过感知电容的变化判断是否与皮肤接触；压力传感器通过感知压力的变化判断是否与外界物体接触。佩戴传感器可以安装在镜托或镜腿等眼镜与皮肤接触的部位。
(7)镜架充电口11为接触式连接器，用于给智能感知处理电路充电。
(8)姿态传感器12能够通过测量头部的方位角和加速度，进而判断佩戴者的头部姿态。姿态传感器12可以是一个六轴陀螺仪MEMS或三轴陀螺仪MEMS。
(三)智能感知处理电路***框图和硬件设计。
智能感知处理电路***框图和硬件设计如图5所示：
(1)智能感知处理电路***框图中，主要功能部件包括控制器5、测距传感器6、佩戴传感器10、姿态传感器12、发光告警器9、电池8和镜架充电口11。
(2)佩戴传感器10通过离散量与控制器5互联，告知控制器5是处于工作状态还是节能状态。
(3)测距传感器6、姿态传感器12通过I2C接口与控制器5互联，运行在控制器5中的软件控制两者的工作状态，并从两者获取姿态和距离参数。
(4)发光告警器9与控制器5通过离散量互联，运行在控制器5中的软件通过离散量控制发光告警器是否工作、如何工作。
(四)总体工作过程与原理
智能感知处理电路总体工作过程与原理如图6所示。
从整体上看，智能感知处理电路时一个完整的测控***，包括包含测距传感器6、佩戴传感器10、姿态传感器12的测量部分、包含控制器的处理部分、包含发光告警器的控制部分。
整个***的功能主要分为六大部分：
(1)佩戴感知功能：需佩戴感知软件与佩戴传感器配合，用于判定眼镜设备是否被佩戴；
(2)姿态感知功能：需姿势感知软件与姿态传感器配合，用于判定佩戴者的姿势；
(3)视距控制功能：需视距控制软件与距离传感器配合，用于判断眼镜设备与佩戴者目光聚焦处物体的距离；
(4)保护提醒功能：需保护提醒软件与发光告警器配合，用于判断和控制是否向告警及如何告警；
(5)功耗管理功能：需功耗管理软件与控制器、佩戴传感器、距离传感器、姿态传感器配合，用于控制上述硬件是工作在节能还是正常工作状态。
(6)基础运行功能：包括电路板、充电器、充电口、电池等硬件，及运行支持软件，为整个***提供基础运行支持，包括供电、启动初始化、看门狗、充电管理等。
(五)关键功能工作原理
智能感知处理电路六项功能的关系如图7所示，其中关键功能包括佩戴感知功能、姿态感知功能、视距控制功能、保护提醒功能、功耗管理功能五项。
(1)佩戴感知功能
智能感知处理电路中的佩戴传感器位于镜架与皮肤接触的部位，通过检测镜架是否与皮肤紧密接触判断眼镜设备是否被佩戴，如图8所示(图中佩戴传感器位于鼻托处，工作原理为判断鼻托是否与鼻部皮肤紧密接触)。当眼镜设备与佩戴者皮肤紧密接触时，通过离散量告知控制器眼镜被佩戴，控制器被从节能状态唤醒，即通知姿势感知功能开展下一步工作(姿态传感器开始工作)；
(2)姿势感知功能
姿态传感器位于智能感知电路的电路板上，且通过镜架与佩戴者头部保持相对固定，因此姿态传感器在测量到方位角和加速度后，可以通过设定的算法，判断佩戴者的头部姿态，进而判定佩戴者是否正在阅读、书写，如图9。比如，根据日常健康的阅读、书写姿态，设置方位角和加速度的阈值，若当前测得方位角和加速度未超出阈值，则推测当前姿态为阅读、书写姿态；再结合时间参数，例如方位角和加速度在设定的一段时间始终未超出阈值，则认为佩戴者正在阅读、书写，即通知视距控制功能开展下一步工作(测距传感器开始工作)。
(3)视距控制功能
测距传感器位于智能感知电路的电路板上，且通过镜架使测距方向与佩戴者目光聚焦处相近；测距传感器获得测量眼镜与佩戴者目光聚焦处物体的距离后，视距控制功能通过设定的算法，判断测量值是否低于保护距离，如图10所示。如果低于保护距离一定时间后，则判定阅读书写距离过近，通知保护提醒功能开展下一步工作(发光告警器开始工作)。
(4)保护提醒功能
智能感知处理电路中的发光告警器位于佩戴者可以观察到发光告警器所发出光线的位置上，当阅读书写距离过近时，保护提醒功能通过设定的算法，控制发光告警器发光闪烁，向佩戴者告警。
如图11是通过横向向镜片发光闪烁告警：发光告警器向镜片发光，利用镜片的导光功能，佩戴者通过感受到镜片中光线的闪烁获得告警。
如图12是前向向目视物体发光闪烁告警：发光告警器向目光聚焦处物体发出汇聚的光线，利用物体对光的反射，佩戴者通过感受到物体上光点的闪烁获得告警。
(5)功耗管理功能
功耗管理功能的实现分布在上述四个功能实现的过程中。其工作逻辑如图13所示。
在初始状态下，只有佩戴感知功能工作，智能感知电路其余部分处于节能状态；当佩戴感知功能判定为眼镜被佩戴时，姿势感知功能工作，否则处于节能状态；当姿势感知功能工作且判定为阅读、书写姿势时，视距控制功能工作，否则处于节能状态；当视距控制功能判定阅读书写距离过近时，保护提醒功能工作，否则处于节能状态；保护提醒功能的发光告警器向佩戴者告警的方式为间断性发光闪烁。
某一级功能之前的任意一级功能(传感器工作状态)发生变化，则该级功能停止，回到发生变化的那一级功能。例如，在视距控制功能运行时，佩戴者拿起水杯喝水，此时姿势感知功能将会作出当前不再是阅读、书写姿势的判定，从而触发停止或由微控制器停止视距控制功能；直到姿势感知功能再次认为佩戴者正在阅读、书写，才会重启视距控制功能。
该眼镜设备具有外观自然，功耗低、虚警率低的优点，支持在日常生活中作为普通眼镜日常佩戴，极大的方便了佩戴者的使用。当佩戴者采用不正确的姿势和距离进行阅读、书写时，及时进行提醒，从而对预防青少年近视、减缓青少年近视发展起积极作用。
Claims (8)
1.一种预防青少年近视的眼镜设备，包括镜架、镜片及嵌入到镜架中的智能感知处理电路组成，其特征在于：所述智能感知处理电路包括微控制器、佩戴传感器、姿态传感器、测距传感器、告警器和电池，实现佩戴感知功能、姿势感知功能、视距控制功能、保护提醒功能和功耗管理功能；其中：
佩戴感知功能是通过位于镜架与皮肤接触的部位的所述佩戴传感器，测量镜架是否与佩戴者皮肤接触，判断眼镜设备是否被佩戴；佩戴传感器兼作智能感知处理电路的启动开关；
姿势感知功能是通过所述姿态传感器测量方位角和加速度，同时结合时间参数，判断被佩戴者的姿态是否处于阅读书写姿势；
视距控制功能是通过所述测距传感器测量镜架与目光正视方向物体的距离，同时结合时间参数，判断被佩戴者视距是否正常；
保护提醒功能是通过所述告警器提醒佩戴者；
功耗管理功能包含一系列工作状态的转换，具体包括：在初始状态下，只有佩戴感知功能工作，智能感知电路其余部分处于关闭或节能状态；当佩戴感知功能判定为眼镜设备被佩戴时，姿势感知功能工作，否则处于关闭或节能状态；当姿势感知功能工作且判定为阅读书写姿势时，视距控制功能工作，否则处于关闭或节能状态；当视距控制功能判定阅读书写距离过近时，保护提醒功能工作，否则处于关闭或节能状态。
2.根据权利要求1所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述智能感知处理电路的主体安装于镜架中部，佩戴传感器单独设置于镜架的鼻托或镜腿处。
3.根据权利要求2所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述佩戴传感器为电容传感器、压力传感器、电感传感器、电阻传感器或者湿度传感器。
4.根据权利要求2所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述测距传感器为红外测距传感器，镜架留有红外测距传感器工作所需的光窗；或者测距传感器为超声传感器。
5.根据权利要求2所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述姿态传感器为六轴陀螺仪或三轴陀螺仪。
6.根据权利要求2所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述告警器为LED发光告警器，能够横向向镜片发光闪烁或者前向向目视物体发光闪烁。
7.根据权利要求2所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述电池为充电电池，智能感知处理电路相应设置有镜架充电口；镜架充电口为与充电器适配的接触式连接器。
8.根据权利要求7所述的预防青少年近视的眼镜设备，其特征在于：所述镜架充电口靠近镜架中部的下边缘，镜架充电口的朝向与镜片所在平面一致；所述充电器具有凸起，与镜架中部的形状相适配，充电器的充电口设置与凸起顶端。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20190528 |