查看: 6849|回复: 1

[项目] Beetle 树莓派RP2350 久坐提醒器

本帖最后由云天于 2025-5-21 23:09 编辑

【项目背景】

在如今快节奏的生活中，久坐已成为许多人的日常状态，无论是办公族长时间伏案工作，还是学生族持续久坐学习，都对健康带来了诸多隐患。长时间久坐会导致血液循环不畅、肌肉疲劳、脊椎压力增大等问题，甚至可能引发更严重的健康疾病。因此，设计一款能够及时提醒人们起身活动的久坐提醒器显得尤为重要。本项目旨在利用 Beetle 树莓派 RP2350 开发板、压力传感器、LED 灯带以及串口 MP3 语音模块等硬件，结合 Arduino IDE 进行编程，制作一款智能久坐提醒器，以帮助人们养成良好的坐姿习惯，减少久坐对健康带来的危害。

【硬件准备】

Beetle 树莓派 RP2350 开发板：作为整个提醒器的核心控制单元，负责数据采集、处理以及控制其他硬件设备。它具有高性能、低功耗的特点，并且支持多种编程语言和丰富的硬件接口，能够满足本项目的需求。
压力传感器：用于检测沙发靠垫或座椅上是否有压力，从而判断是否有人处于久坐状态。将压力传感器放置在沙发靠垫中，当有人依靠时，传感器会输出相应的电信号。
LED 灯带（WS2812）：作为视觉提醒装置，在需要提醒用户起身活动时，通过闪烁或显示特定颜色的灯光来吸引用户的注意力。灯带具有色彩丰富、可控性强的特点，可以利用 FastLED.h 库进行灵活的控制。
串口 MP3 语音模块：用于播放提醒语音，如 “欢迎使用久坐提醒器”、“久坐有害健康，请及时起身活动” 等。该模块支持 MP3 和 WAV 音频格式，能够通过串口通信接收控制指令并播放指定的语音文件。

【软件准备】

Arduino IDE ：作为本项目的编程环境，用于编写、上传和调试提醒器的控制程序。它具有简单易用的界面和丰富的库支持，方便开发者快速实现各种功能。
FastLED.h 库：专门用于控制 WS2812 等数字灯带的库，提供了丰富的灯光效果函数和便捷的控制方式，可以轻松实现灯光闪烁、颜色渐变等效果。
在线 AI 配音工具（TTSMaker）：用于生成所需的提醒语音，并将其转换为 MP3 文件格式，以便存储在串口 MP3 语音模块中进行播放。TTSMaker 提供了多种语言和语音风格选择，可以满足不同的语音提示需求，并且支持免费下载和商用。

【硬件连接】

将压力传感器的模拟信号输出引脚（A1）连接到 Beetle 树莓派 RP2350 开发板的 A1 引脚（引脚号 27）。
把 LED 灯带的数据输入引脚连接到开发板的 16 引脚（D16）。
分别将串口 MP3 语音模块的发送引脚（TX）和接收引脚（RX）连接到开发板的 8 引脚（TX1）和 9 引脚（RX1）。
确保所有硬件设备的电源引脚（VCC 和 GND）正确连接，并且与开发板的电源电压匹配，以保证整个电路的正常供电和通信。

【程序设计】1. 引入必要的库

#include <FastLED.h>
复制代码

该语句用于引入 FastLED.h 库，以便后续能够方便地控制 WS2812 LED 灯带的各种灯光效果。
2. 定义硬件连接参数和全局变量

#define LED_PIN 16
#define COLOR_ORDER GRB
#define CHIPSET     WS2812
#define NUM_LEDS    120 // 灯珠数量 120 个

#define BRIGHTNESS  50  // 亮度
#define FRAMES_PER_SECOND 60

bool gReverseDirection = false;

CRGB leds[NUM_LEDS];
unsigned char order[4] = {0xAA,0x06,0x00,0xB0};
const int analogInPin = A1;  
int sensorValue = 0;      

int bs=0;
int bs2=0;
long unsigned int mytime=0;
复制代码

其中，定义了 LED 灯带的连接引脚、颜色顺序、芯片类型、灯珠数量等参数，以及灯光的亮度和帧率等设置。还定义了用于存储灯光颜色数据的 leds 数组、串口 MP3 语音模块的通信指令数组 order，以及压力传感器的连接引脚和相关状态变量 bs、bs2 和计时变量 mytime 等。
3. 初始化函数（setup）

void setup() {
    //Serial.begin(115200);
     Serial2.begin(9600);
     volume(0x1E);// 音量设置 0x00-0x1E
    delay(3000); // sanity delay
    FastLED.addLeds<CHIPSET, LED_PIN, COLOR_ORDER>(leds, NUM_LEDS).setCorrection( TypicalLEDStrip );
    FastLED.setBrightness( BRIGHTNESS ); 
}
复制代码

在 setup 函数中，首先初始化了串口通信（Serial2），用于与串口 MP3 语音模块进行通信，并设置了语音模块的音量。然后，调用了 FastLED 库的相关函数对 LED 灯带进行初始化，包括设置灯带的类型、引脚、颜色顺序以及亮度等参数。
4. 主循环函数（loop）

void loop()
{
  
  sensorValue = analogRead(analogInPin);
  if(sensorValue>500 && bs2==0)
  {
    if(bs==0){
      red();
      play(0x02);// 指定播放:0x01- 文件 0001
      delay(2000);
      black();
      mytime=millis();
      bs=1;
    }
    else{
     if( millis()-mytime>10000){
       mytime=millis();
       play(0x01);// 指定播放:0x01- 文件 0001
       bs2=1;
     }
    }
  }
  else{
    if(sensorValue<500 && bs2==0){
      mytime=millis();
    }
  }
  if(bs2==1){
     Fire2012(); // run simulation frame  
     FastLED.show(); // display this frame
     FastLED.delay(1000 / FRAMES_PER_SECOND);
     if(sensorValue>500){
       mytime=millis();
     }
     if(sensorValue<500 && millis()-mytime>10000){
      black();
      bs2=0;
      bs=0;
     }
  }
}
复制代码

在 loop 函数中，首先读取压力传感器的值。当检测到压力值大于 500（表示有人依靠在沙发靠垫上）且状态变量 bs2 为 0 时，进入相应的处理逻辑。如果状态变量 bs 为 0，则调用 red 函数将 LED 灯带显示为红色，并通过 play 函数播放欢迎语音（文件编号为 0x02），然后等待 2 秒钟，关闭灯光（调用 black 函数），记录当前时间到 mytime 变量，并将 bs 设置为 1，表示进入计时状态。如果 bs 不为 0，则判断当前时间与上次记录时间的差值是否大于 10 秒（演示程序中以 10 秒代替实际的 30 分钟），如果是，则再次播放提醒语音（文件编号为 0x01），并将 bs2 设置为 1，表示进入灯光闪烁提醒状态。
当压力传感器检测到的压力值小于 500（表示没有人依靠）且 bs2 为 0 时，重新记录当前时间到 mytime 变量。如果处于灯光闪烁提醒状态（bs2 为 1），则调用 Fire2012 函数生成火焰灯光效果，并通过 FastLED.show 函数显示灯光效果，同时利用 FastLED.delay 函数控制灯光效果的刷新频率。在灯光闪烁提醒过程中，如果检测到压力值仍然大于 500，则更新 mytime 变量；如果压力值小于 500 且当前时间与 mytime 的差值大于 10 秒，则关闭灯光，将 bs2 和 bs 都重置为 0，回到初始状态。
5. 播放语音函数（play）

void play(unsigned char Track)
{
     unsigned char play[6] = {0xAA,0x07,0x02,0x00,Track,Track+0xB3};//0xB3=0xAA+0x07+0x02+0x00, 即最后一位为校验和
       Serial2.write(play,6);
}
复制代码

该函数用于向串口 MP3 语音模块发送播放指定曲目的指令。根据语音模块的通信协议，构造了一个包含指令头、播放命令、曲目编号以及校验和的字节数组 play，并通过 Serial2.write 函数将该指令发送给语音模块，从而实现播放对应编号的语音文件。
6. 设置音量函数（volume）

void volume( unsigned char vol)
{
      unsigned char volume[5] = {0xAA,0x13,0x01,vol,vol+0xBE};//0xBE=0xAA+0x13+0x01, 即最后一位为校验和
         Serial2.write(volume,5);
}
复制代码

volume 函数的作用是设置串口 MP3 语音模块的音量大小。同样根据语音模块的通信协议，构造了一个包含指令头、音量设置命令、音量值以及校验和的字节数组 volume，并通过串口发送给语音模块，以调整语音播放的音量。
7. 火焰灯光效果函数（Fire2012）

#define COOLING 55
#define SPARKING 120
void Fire2012()
{
// Array of temperature readings at each simulation cell
  static uint8_t heat[NUM_LEDS];

  // Step 1.  Cool down every cell a little
    for( int i = 0; i < NUM_LEDS; i++) {
      heat[i] = qsub8( heat[i],  random8(0, ((COOLING * 10) / NUM_LEDS) + 2));
    }
  
    // Step 2.  Heat from each cell drifts 'up' and diffuses a little
    for( int k= NUM_LEDS - 1; k >= 2; k--) {
      heat[k] = (heat[k - 1] + heat[k - 2] + heat[k - 2] ) / 3;
    }
    
    // Step 3.  Randomly ignite new 'sparks' of heat near the bottom
    if( random8() < SPARKING ) {
      int y = random8(7);
      heat[y] = qadd8( heat[y], random8(160,255) );
    }

    // Step 4.  Map from heat cells to LED colors
    for( int j = 0; j < NUM_LEDS; j++) {
      CRGB color = HeatColor( heat[j]);
      int pixelnumber;
      if( gReverseDirection ) {
        pixelnumber = (NUM_LEDS-1) - j;
      } else {
        pixelnumber = j;
      }
      leds[pixelnumber] = color;
    }
}
复制代码

Fire2012 函数实现了模拟火焰效果的灯光控制算法。通过定义一个 heat 数组来模拟每个灯珠的 “温度” 值，并按照一定的规则对这些温度值进行更新和扩散，从而生成类似火焰的动态灯光效果。具体来说，首先对每个灯珠的温度值进行一定程度的冷却处理；然后，让每个灯珠的温度值向上漂移并扩散到相邻的灯珠；接着，在底部随机点燃一些新的 “火花”，增加温度值；最后，将模拟的温度值映射到对应的 LED 颜色，并更新灯带的显示效果。
8. 灯光颜色设置函数（red、black）

void red()
{
  for(int i=0;i<NUM_LEDS;i++){
    leds[i] = CRGB::Red;
    
  }
  FastLED.show();
}
void black()
{
  for(int i=0;i<NUM_LEDS;i++){
    leds[i] = CRGB::Black;
    
  }
  FastLED.show();
}
复制代码

red 函数将所有的 LED 灯珠设置为红色显示，用于在用户坐下时进行简单的视觉提示；black 函数则将所有灯珠设置为黑色，即关闭灯光显示，用于在提醒结束后恢复初始状态。
【项目实现与测试】

将编写好的程序通过 Arduino IDE 上传到 Beetle 树莓派 RP2350 开发板中。
将压力传感器安装在沙发靠垫合适的位置，确保当有人依靠时能够准确检测到压力变化。
连接好 LED 灯带、串口 MP3 语音模块以及其他硬件设备，确保整个电路连接正确无误。
使用 TTSMaker 在线 AI 配音工具生成所需的提醒语音，如 “欢迎使用久坐提醒器”、“久坐有害健康，请及时起身活动”，并将其下载为 MP3 文件格式。
将生成的 MP3 文件通过 micro usb 线连接到电脑，按照语音模块的要求存储到指定的文件夹（如 ZH 文件夹）中，并确保文件命名符合要求（如数字命名）。
通电测试整个久坐提醒器系统。当人坐在沙发上，压力传感器检测到压力后，LED 灯带显示红色，语音模块播放欢迎语音。经过 10 秒（演示时间，实际可设置为 30 分钟）后，LED 灯带开始显示火焰效果，并且语音模块播放提醒语音，提示用户起身活动。

【演示视频】

【项目总结与拓展】

本项目成功设计并实现了一款基于 Beetle 树莓派 RP2350 开发板的智能久坐提醒器，通过压力传感器检测久坐状态，利用 LED 灯带和语音模块进行及时提醒，有效地帮助人们养成良好的坐姿习惯，减少久坐对健康的危害。整个项目硬件连接简单、软件编程易于实现，并且具有一定的趣味性和实用性。

使用道具举报