不良学习姿势检测与统计显示装置及方法

摘要

不良学习姿势检测与统计显示装置及方法，该装置包括处理器还包括校准按钮、铁电存储器、显示屏、电机、头部追踪探测单元、第一光敏传感器、第二光敏传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，校准按钮、铁电存储器、显示屏、头部追踪探测单元、第一光敏传感器、第二光敏传感器、第一压力传感器、第二压力传感器分别与处理器相连，电机与头部追踪探测单元相连；头部追踪探测单元用于追踪探测用户头部；第一光敏电阻和第二光敏电阻用于检测是否有书本放在桌面上；第一压力传感器和第二压力传感器用于检测用户是否将双手放在桌面上，以及用户将双手放于桌面上时，桌面所受压力情况。本发明检测准确率高，成本低，能对不良学习姿势进行统计显示。

说明书

技术领域

本发明涉及一种不良学习姿势检测与统计显示装置及方法。

背景技术

当前，我国小学生及初中生近视率已达34.6%，高中生近视率达70%，我国青少年因近视致盲的人数已达30万人，如何预防青少年近视刻不容缓。近视是由多种因素导致的，其中最主要的因素是青少年学习时坐姿不正确，眼睛离作业本距离太近。为此，有必要对青少年学习坐姿进行检测，并通过适当形式进行提醒。

目前已有很多用于坐姿检测的装置和方法，主要有以下几种：

依靠红外测距或超声波传感器进行检测（参见CN201320751761、CN201320398679），当距离值超出阈值范围就认为是不良学习姿势，并没有考虑用户此时可能并没有学习，因此会经常误报。

再者，基于红外测距传感器进行检测，此类检测方式没有考虑人体坐高，因此难以确保传感器正对人体额头部位，进而其测得的距离值无法反映大部分低头或左右歪头不良坐姿，会出现漏报现象（漏报即不良的学习姿势没有检测出来，不良的学习姿势时没有出现语音提示）。

采用CMOS图像传感器检测（参见CN201320006497），其检测效果依赖于图像处理算法，在复杂背景下易导致误报漏报（误报即不良的学习姿势检测不准确，出现不正确的语音提示），且成本较高。

采用压力传感器实现学习状态判断（参见CN201120084030），但判断方法同样仅采用红外传感器判断坐姿，也存在误报和漏报问题。

另外，现有的坐姿检测方法在检测到不良学习姿势后就声光报警，然而学习过程中，用户会有喝水、拿橡皮、翻书包、思考等这些一系列短暂动作，都会触发报警。频繁报警会极大地影响用户学习注意力以及学习效果，同时易使其对此产生逆反情绪。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种检测准确率高、成本较低的不良学习姿势检测与统计显示装置及方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种不良学习姿势检测与统计显示装置，包括处理器，还包括校准按钮、铁电存储器、显示屏、电机、头部追踪探测单元、第一光敏传感器、第二光敏传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，所述校准按钮、铁电存储器、显示屏、头部追踪探测单元、第一光敏传感器、第二光敏传感器、第一压力传感器、第二压力传感器分别与处理器相连，所述电机与头部追踪探测单元相连；

所述校准按钮用于启动头部追踪探测单元；所述铁电存储器用于存储学习姿势数据；所述显示屏用于显示不良学习姿势统计数据；所述头部追踪探测单元用于追踪探测用户头部；所述第一光敏电阻和第二光敏电阻用于检测是否有书本放在桌面上；所述第一压力传感器和第二压力传感器用于检测用户是否将双手放在桌面上，以及用户将双手放于桌面上时，桌面所受压力情况。

进一步，所述头部追踪探测单元包括转向传动齿轮箱、传动皮带和定位传动齿轮箱；所述传动皮带的一端与传动齿轮箱相连，另一端与定位传动齿轮箱相连，所述转向传动齿轮箱底部设有上限位开关开关，所述定位传动齿轮箱顶部设有下限位开关，所述传动皮带上设有红外测距传感器；所述电机的输出轴通过转向传动齿轮箱与传动皮带相连。

进一步，所述传动皮带上设有传动皮带卡，所述红外测距传感器通过传动皮带卡固定在传动皮带上。

一种利用所述不良学习姿势检测与统计显示装置对不良学习姿势进行检测与统计显示的方法，包括以下步骤：

（1）校准红外测距传感器的位置，使红外测距传感器对准用户额头部位；

（2）判断是否进入学习状态；

（3）监测学习姿势并提醒；

（4）判断是否退出学习状态；

（5）统计显示不良学习姿势数据。

进一步，所述步骤（1）的具体过程如下：

（1-1）点击校准按钮，电机控制红外测距传感器下行，触发下限位开关后停止；

（1-2）读取红外测距传感器输出电压，判断红外测距传感输出电压是否为高电平，如果是，通过控制电机，使红外测距传感器上升；如果否，重复步骤（1-2）；

（1-3）读取红外测距传感器输出电压，判断红外测距传感器输出电压是否为高电平，如果是，通过控制电机，使红外测距传感器上升；如果否，通过控制电机，使红外测距传感器下移2cm。

进一步，所述步骤（2）的具体过程如下：

（2-1）读取红外测距传感器输出电压；判断红外测距传感器输出电压是否为高电平，如果是，读取第一压力传感器、第二压力传感器输出电压；如果否，重复步骤（2-1）；

（2-2）判断第一压力传感器、第二压力传感器输出电压是否均为高电平，如果是，读取第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压；如果否，依次重复步骤（2-1）、（2-2）；

（2-3）判断第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压是否均为高电平，如果是，则用户处于学习状态，如果否，则用户处于非学习状态。

进一步，所述步骤（3）的具体过程如下：

（3-1）初始化处理器内参数t1=0、t2=0、t3=0；

（3-2）读取红外测距传感器输出电压；判断红外测距传感器输出电压是否为高电平，如果是，则学习姿势正确，如果否，则学习姿势错误，进一步判断错误的学习姿势类型；

（3-3）读取第一压力传感器输出电压V1、第二压力传感器输出电压V2，计算ΔV1= V1－V10；ΔV2= V2－V20；如果ΔV1＞0且ΔV2＞0，使处理器内参数t1= t1+1、t2=0、t3=0，延时3秒；如果ΔV1＞0且ΔV2＜0，使处理器内参数t2= t2+1、t1=0、t3=0，延时3秒；如果ΔV1＜0且ΔV2＞0，使处理器内参数t3= t3+1、t1=0、t2=0，延时3秒；

（3-4）判断t1+ t2+ t3的数值大小，如果t1+ t2+ t3≠5，依次重复步骤（3-2）、（3-3）、（3-4）；如果t1+ t2+ t3=5，进一步判断t1、t2、t3的数值大小，如果t1=5，则存在弓背或前趴现象；如果t2=5，则存在左歪头现象；如果t3=5，则存在右歪头现象；

进一步，所述步骤（4）的具体过程如下：

读取红外测距传感器输出电压；如果红外测距传感器输出电压是高电平，读取第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压；判断第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压是否均为高电平，如果是，则处于学习状态，如果否，则处于退出学习状态；如果红外测距传感器输出电压是低电平，读取第一压力传感器、第二压力传感器输出电压；判断第一压力传感器、第二压力传感器输出电压是否至少有一个为高电平，如果否，则处于退出学习状态；如果是，读取第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压；判断第一光敏传感器、第二光敏传感器输出电压是否均为高电平，如果是，则处于学习状态，如果否，则处于退出学习状态。

进一步，所述步骤（5）的具体过程如下：

（5-1）保存学习姿势数据：在铁电存储器中开辟28字节空间，存储历史7天数据，每天4个字节，其中2个字节存储当天总学习时长A，2个字节存储当天错误姿势学习时长B；另外开辟3个字节空间保存上一次对铁电存储器进行写操作的日期；

（5-2）读取学习姿势数据，并统计显示：从铁电存储器中将28个字节数据读出，绘制柱状图，同时计算当天的错误姿势学习时长B占总当天学习时长A的百分比，画出趋势图。

进一步，所述步骤（5-1）的具体过程如下：

（5-1-1）读取显示屏当天日期信息X以及铁电存储器中保存的日期Y；

（5-1-2）比较X和Y的大小，如果X=Y，读取铁电存储器中保存的当天总学习时长A和当天错误姿势学习时长B；如果0＜X－Y＜7，对铁电存储器中记录的四行数据进行左移X－Y个字节，并更新铁电存储器中保存的日期为当天日期信息X；初始化A=0，B=0；如果7≤X－Y，对铁电存储器3中28字节空间进行清零操作，并更新铁电存储器3中保存的日期为当天日期信息X；初始化A=0，B=0；

（5-1-3）进入学习状态时，读取当前系统时间M1；

（5-1-4）进入学习状态下，判断学习姿势不正确时读取当前系统时间N1；学习姿势恢复正确或者退出学习状态时，读取当前系统时间N2，并更新当天错误姿势学习时长B=B+（N2-N1）；

（5-1-5）退出学习状态时，读取当前系统时间M2；更新当天总学习时长A=A+（M2-M1），将当天错误姿势学习时长B和当天总学习时长A存入铁电存储器中

与现有技术相比，本发明的优点如下：

（1）设有头部追踪探测单元，检测不良学习姿势时，保证传感器正对人体额头部位，不良的学习姿势检测准确，避免出现漏报现象。

（2）设有第一光敏传感器、第二光敏传感器、第一压力传感器和第二压力传感器，能够准确检测出弓背或向前趴、左歪头、右歪头不良的学习姿势，检测准确率高。

（3）本发明的实现方法无需依赖图像处理算法，算法简单，成本较低。

（4）学习姿势检测时，能够延时15s，避免用户在动作（如：喝水、拿橡皮、翻书包、思考等）少于15s的时间内出现报警，避免出现误报现象，检测准确率高，避免误报时影响用户的学习注意力以及学习效果。

（5）本发明能够对不良学习姿势进行统计显示，用户能够直观的看到一段时间内的不良学习姿势统计数据。

附图说明

图1是本发明不良学习姿势检测与统计显示装置实施例的结构框图。

图2是图1所示实施例的头部追踪探测单元的结构示意图。

图3是本发明不良学习姿势检测与统计显示方法实施例的总体流程图。

图4是图3所示实施例的校准红外测距传感器的位置的具体流程图。

图5是图3所示实施例的判断是否进入学习状态的具体流程图。

图6是图3所示实施例的监测学习姿势并提醒的具体流程图。

图7是图3所示实施例的判断是否退出学习状态的具体流程图。

图8是图3所示实施例的铁电存储器内存储数据的示意图。

图9是图3所示实施例的铁电存储器内数据左移X－Y个字节的示意图。

图中：1—校准按钮，2—处理器，3—铁电存储器，4—显示屏，5—电机，6—头部追踪探测单元，601—转向传动齿轮箱，602—上限位开关，603—传动皮带卡，604—红外测距传感器，605—传动皮带，606—下限位开关，607—定位传动齿轮箱，7—第一光敏传感器，8—第二光敏传感器，9—第一压力传感器，10—第二压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

参照图1，本发明不良学习姿势检测与统计显示装置实施例包括校准按钮1、处理器2、铁电存储器3、显示屏4、电机5、头部追踪探测单元6、第一光敏传感器7、第二光敏传感器8、第一压力传感器9和第二压力传感器10，校准按钮1、铁电存储器3、显示屏4、头部追踪探测单元6、第一光敏传感器7、第二光敏传感器8、第一压力传感器9、第二压力传感器10分别与处理器2相连，电机5与头部追踪探测单元6相连。

校准按钮1用于启动头部追踪探测单元6。

铁电存储器3用于存储学习姿势数据。

显示屏4用于显示不良学习姿势统计数据。

头部追踪探测单元6用于追踪探测用户头部。

第一光敏电阻7和第二光敏电阻8用于检测是否有书本放在桌面上；桌面没有书本时，第一光敏电阻7和第二光敏电阻8处于感光状态，其输出低电平；桌面有书本时，第一光敏电阻7和第二光敏电阻8均处于遮光状态，其输出高电平。

第一压力传感器9和第二压力传感器10用于检测用户是否将双手放于桌面上，即检测用户是否处于桌前写字状态；以及用户将双手放于桌面上时，桌面所受压力情况。没有将手放在桌面时，桌面没有压力，其输出低电平；有手放在桌面上时，桌面有压力，其输出高电平。

本实施例的铁电存储器3掉电不会丢失数据；可以单字节和多字节读写，速度快；具有无限次写入寿命，不容易写坏。EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器）和Flash（闪速存储器）虽然掉电不丢失数据，但读写速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。

头部追踪探测单元6包括转向传动齿轮箱601、传动皮带605和定位传动齿轮箱607；传动皮带605的一端与传动齿轮箱601相连，另一端与定位传动齿轮箱607相连，转向传动齿轮箱601底部设有上限位开关602开关，定位传动齿轮箱607顶部设有下限位开关606，传动皮带605上设有传动皮带卡603，传动皮带卡603上装有红外测距传感器604，传动皮带卡603主要用于将红外测距传感器604固定在传动皮带605上；电机5的输出轴通过转向传动齿轮箱601与传动皮带605相连。

头部追踪探测单元6用于实现红外测距传感器604对准用户额头部位，红外测距传感器604用于检测是否有用户坐到桌前；桌前无人时，其输出低电平；桌前有人时，其输出高电平。

本发明的不良学习姿势包括弓背或向前趴、左歪头、右歪头。

头部追踪探测单元6的工作过程如下：

点击校准按钮1，处理器2控制输入反相电源给电机5，电机5逆时针方向运转，此时红外测距传感器604向下运行至最低位置。用户采用正确坐姿坐于桌前。处理器2检测红外测距传感器604输出电压，为高电平时表明用户已经坐于桌前，处理器2输入正相电源给电机5，电机5顺时针方向运转，电机5的传动轴经转向传动齿轮箱601联动传动皮带605顺时针方向运转，此时红外测距传感器604向上运行，当红外测距传感器604输出电压由高变为低时（表示红外测距传感器604高度上升越过人体头顶部），处理器2控制输入反相电源给电机5，电机5逆时针方向运转，红外测距传感器604下移2厘米（已知电机速率，可通过控制电机5运行时间实现下移2厘米），使得红外测距传感器604对准用户额头部位。

如果处理器2程序出现故障的情况下，电机5一直处于工作状态，当红外测距传感器604运行至最上端时会触发上限位开关602，当红外测距传感器604运行至最底部时会触发下限位开关606，强行切断电机5电源，确保安全。

本发明不良学习姿势检测与统计显示方法实施例包括以下步骤：

参照图3，步骤1：校准红外测距传感器604的位置；步骤1具体包括以下步骤：

参照图4，步骤101：点击校准按钮1；

步骤102：电机5控制红外测距传感器604下行，触发下限位开关后停止；

步骤103：读取红外测距传感器604输出电压；

步骤104：判断红外测距传感器604输出电压是否为高电平，如果是，转入步骤105，如果否，转入步骤103；

步骤105：通过控制电机5，使红外测距传感器604上升；

步骤106：读取红外测距传感器604输出电压；

步骤107：判断红外测距传感器604输出电压是否为高电平，如果是，转入步骤105，如果否，转入步骤108；

步骤108：通过控制电机5，使红外测距传感器604下移2cm；

步骤109：转入步骤201；

头部追踪探测单元6在调整红外测距传感器604对准人体额头部位时，步骤108中并不仅仅限于红外测距传感器604下移2cm，2cm仅是人体普遍的身高（100cm～190cm）调整尺寸，对于其他身高的人，可重新设置红外测距传感器604下移高度。

步骤2：判断是否进入学习状态；步骤2具体包括以下步骤：

参照图5，步骤201：读取红外测距传感器604输出电压；

步骤202：判断红外测距传感器604输出电压是否为高电平，如果是，转入步骤203，如果否，转入步骤201；

步骤203：读取第一压力传感器9、第二压力传感器10输出电压；

步骤204：判断第一压力传感器9、第二压力传感器10输出电压是否均为高电平，如果是，转入步骤205，如果否，转入步骤201；

步骤205：读取第一光敏传感器7、第二光敏传感器8输出电压；

步骤206：判断第一光敏传感器7、第二光敏传感器8输出电压是否均为高电平，如果是，转入步骤207，如果否，转入步骤201；

步骤207：记录第一压力传感器9的输出电压V10，第二压力传感器10的输出电压V20；

步骤208：转入步骤301；

步骤3：监测学习姿势并提醒；步骤3具体包括以下步骤：

参照图6，步骤301：初始化处理器2内参数t1=0、t2=0、t3=0；

步骤302：读取红外测距传感器604输出电压；

步骤303：判断红外测距传感器604输出电压是否为高电平，如果是，转入步骤304，如果否，转入步骤305；

步骤304：转入步骤401；

步骤305：读取第一压力传感器9输出电压V1、第二压力传感器10输出电压V2，计算ΔV1= V1－V10；ΔV2= V2－V20；

参照表一，步骤306：判断ΔV1、ΔV2是否均大于0，如果是，转入步骤307，如果否，转入步骤308；

步骤307：使处理器2内参数t1= t1+1、t2=0、t3=0，转入步骤312；

步骤308：判断ΔV1是否大于0且ΔV2是否小于0，如果是，转入步骤309，如果否，转入步骤310；

步骤309：使处理器2内参数t2= t2+1、t1=0、t3=0，转入步骤312；

步骤310：判断ΔV1是否小于0且ΔV2是否大于0，如果是，转入步骤311，如果否，转入步骤401；

步骤311：使处理器2内参数t3= t3+1、t1=0、t2=0，转入步骤312；

步骤312：延时3秒；

步骤313：判断t1+ t2+ t3是否等于5；如果是，转入步骤314，如果否，转入步骤302；

步骤314：判断t1是否等于5；如果是，转入步骤315，如果否，转入步骤316；

步骤315：语音提示：学习姿势不正确，存在弓背或向前趴现象，请改正；

步骤316：判断t2是否等于5；如果是，转入步骤317，如果否，转入步骤318；

步骤317：语音提示：学习姿势不正确，存在左歪头现象，请改正；

步骤318：语音提示：学习姿势不正确，存在右歪头现象，请改正；

表一为步骤3中，判断学习姿势时对应的红外测距传感器输出电压和ΔV1、ΔV2的输出。

步骤3中，检测学习姿势时，对于一个学习姿势的判断，通过循环指令反复判断了5次，每次延时了3s，即对一个学习姿势的判断，总共延时了15s，避免用户在动作（如：喝水、拿橡皮、翻书包、思考等）少于15s的时间内出现报警，避免出现误报现象，检测准确率高，避免误报时影响用户的学习注意力以及学习效果。同时，本发明的延时时间还可根据实际情况设定，不限于15s。

步骤4：判断是否退出学习状态；步骤4具体包括以下步骤：

参照图7，步骤401：读取红外测距传感器604输出电压；

步骤402：判断红外测距传感器604输出电压是否为高电平，如果是，转入步骤405，如果否，转入步骤403；

步骤403：读取第一压力传感器9、第二压力传感器10输出电压；

步骤404：判断第一压力传感器9、第二压力传感器10输出电压是否至少有一个为高电平，如果是，转入步骤405，如果否，转入步骤407；

步骤405：读取第一光敏传感器7、第二光敏传感器8输出电压；

步骤406：判断第一光敏传感器7、第二光敏传感器8输出电压是否均为高电平，如果是，转入步骤301，如果否，转入步骤407；

步骤407：退出学习状态。

步骤5：统计显示不良学习姿势数据；步骤5具体包括以下步骤：

步骤501：保存学习姿势数据。参照图8，在铁电存储器3中开辟28字节空间，存储历史7天数据，每天4个字节，其中2个字节存储当天总学习时长A，2个字节存储当天错误姿势学习时长B。另外开辟3个字节空间保存上一次对铁电存储器3进行写操作的日期；步骤501具体包括以下步骤：

步骤S1：读取显示屏4当天日期信息X以及铁电存储器3中保存的日期Y；

步骤S2：比较X和Y的大小，如果X=Y，读取铁电存储器3中保存的当天总学习时长A和当天错误姿势学习时长B；参照图9，如果0＜X－Y＜7，对铁电存储器3中记录的四行数据进行左移X－Y个字节，并更新铁电存储器3中保存的日期为当天日期信息X；初始化A=0，B=0；如果7≤X－Y，对铁电存储器3中28字节空间进行清零操作，并更新铁电存储器3中保存的日期为当天日期信息X；初始化A=0，B=0；

步骤S3：进入学习状态时，读取当前系统时间M1；

步骤S4：进入学习状态下，判断学习姿势不正确时读取当前系统时间N1；学习姿势恢复正确或者退出学习状态时，读取当前系统时间N2，并更新当天错误姿势学习时长B=B+（N2-N1）；

步骤S5：退出学习状态时，读取当前系统时间M2；更新当天总学习时长A=A+（M2-M1），将当天错误姿势学习时长B和当天总学习时长A存入铁电存储器3中。

步骤502：统计显示历史学习姿势数据。从铁电存储器3中将28个字节数据读出，绘制柱状图，同时计算当天的错误姿势学习时长B占总当天学习时长A的百分比（B÷A×100%），画出趋势图。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，如：本发明在红外测距传感器604与传动皮带605的连接方式上，除通过传动皮带卡603固定外，还可通过其他方式固定。在检测学习姿势时，对于一个学习姿势的判断，可延时10s、20s、30s或其他时间，并不仅仅限于15s。倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。