摘要：本文围绕青少年视力健康问题,设计并实现了一套基于低功耗蓝牙技术的可穿戴防近视软件系统,旨在通过智能监测与行为干预降低近视发生率。系统融合激光测距与姿态感知技术,采集用户用眼距离与头部姿势数据,结合移动端实时分析与智能提醒机制,实现对不良用眼行为的识别与干预。硬件部分采用轻量化模块设计,软件部分基于Android平台开发,构建数据采集、处理、存储、可视化等完整功能模块。经多轮测试验证,系统在识别准确率、通信稳定性和续航性能方面表现优异,具备良好的实用性与推广价值。本研究为智能视力防控设备的开发与应用提供了技术参考,未来可在算法优化、多平台兼容和家庭协同管理等方面进一步拓展研究。

　　关键词：低功耗；蓝牙；可穿戴系统

　　0引言

　　近年来,青少年近视问题日益严重,成为影响国家未来发展的重要公共健康问题。随着智能硬件和可穿戴设备的迅速发展,借助先进技术手段辅助视力保护成为研究热点。低功耗蓝牙技术以其高效、稳定、能耗低的优势,广泛应用于各类便携式智能设备中。结合可穿戴设备与移动端软件系统,构建集实时监测、智能提醒、数据分析于一体的视力保护系统,有助于规范用眼行为、降低近视发生率。本研究围绕低功耗蓝牙通信机制与传感器融合策略,设计实现了一套适用于日常佩戴的防近视软件系统,探索智能硬件在视力防控领域的可行性与实用价值。

　　1相关技术概述

　　近视是一种常见的屈光不正问题,主要表现为远处物体成像在视网膜之前,导致视觉模糊。其形成受多种因素影响,包括遗传因素、环境因素和不良用眼习惯。在青少年群体中,长时间近距离用眼、用眼距离不合理、用眼姿势不正确等行为是引发近视的重要诱因。为了降低青少年近视的发生率,防控策略需从行为干预入手,通过科技手段实时监测用眼状态并进行有效干预成为近年来研究和应用的重点方向。科学研究表明,保持适当的阅读距离、良好的坐姿和合理的用眼时长,是有效预防近视的基本措施[1]。

　　随着智能硬件技术的不断进步,可穿戴设备逐渐成为实现个体健康监测和行为干预的重要载体。在视力防控领域,可穿戴设备通过对用户头部姿势、眼睛与书本的距离、阅读时间等参数的采集与分析,能够实现对用眼行为的实时监管。当前,可穿戴设备在形态上已实现轻量化、小型化,常见形式包括眼镜、手环、耳戴设备等,在功能集成方面亦不断增强,不仅具备数据采集功能,还能通过蓝牙等无线通信手段与移动终端交互,形成完整的信息闭环,从而提升干预效率和用户体验。

　　2系统总体设计

　　可穿戴设备端作为系统的数据采集核心模块,其设计以轻便、小型、可长期佩戴为主要目标。硬件结构主要由主控芯片、距离传感器、姿态传感器、电源模块和BLE通信模块组成。主控芯片负责各模块的协调控制和逻辑运算,推荐使用Nordic nRF52832芯片,该芯片集成BLE功能、具备低功耗特性、资源丰富、体积紧凑,适合可穿戴场景使用。传感器方面,选用VL53L0X激光测距模块用于检测用户眼睛与书本之间的距离,其测量精度高、响应速度快,适应多种环境条件。姿态传感器采用MPU6050六轴传感器,实现对用户头部姿势的监测,通过三轴加速度计与陀螺仪协同工作获取倾斜角度与头部姿态变化[2]。电源模块方面,采用3.7V锂电池作为供电源,通过低功耗管理芯片控制设备工作状态,确保系统在不影响用户日常使用的前提下达到较长的续航能力。

　　在系统逻辑方面,可穿戴设备端周期性采集传感器数据,并对采集结果进行初步预处理与分析。当检测到数据异常或超出预设阈值,设备内部触发本地提醒机制,同时通过BLE通信模块将相关数据传输至移动端应用程序。提醒机制设计为多种形式,包括LED闪烁、蜂鸣震动等方式,用户可根据个人需求进行设定,增强设备的可用性与人性化体验。

　　BLE通信模块作为系统中设备端与移动端之间的数据桥梁,承担着高频率、低延迟的数据交互任务。BLE采用广播与连接两种通信方式,本系统采用连接方式进行稳定数据传输,确保数据完整性与连续性[3]。BLE模块工作流程包括广播设备信息、与移动端建立连接、数据格式封装、传输通道建立、数据上报与断开连接等多个环节。在数据格式设计中,采用轻量化数据包结构,将时间戳、设备编号、传感器数据、电量信息等字段压缩打包,减少传输负载,提高通信效率。在连接策略上,为防止通信中断影响用户体验,系统设计自动重连机制与超时重传逻辑,确保在设备移动、遮挡或低电状态下依旧能够维持基本通信能力。BLE模块在功耗管理方面也进行了优化设计[4]。系统默认处于低功耗待机状态,仅在检测到用户佩戴并开始采集后进入工作状态,通信过程中采用短时激活与快速睡眠切换模式,减少能耗。通过设置数据上报周期与传输速率,可进一步平衡通信频率与电量消耗的矛盾,从而提高系统整体运行时长与稳定性。设备端与通信模块之间通过I2C总线与SPI接口实现内部连接,模块化设计便于后期硬件功能扩展与更新。整个设备PCB设计采用多层布线,布局紧凑,优化信号完整性,确保设备在小尺寸结构中实现高效协同。

　　3系统实现与测试

　　系统的实现过程包括硬件组装与调试、软件开发与功能实现、系统联调与通信验证等关键环节。在整体开发过程中,注重软硬件协同调优,通过多轮测试不断优化系统运行效率与用户体验。系统构建完成后,针对不同功能模块进行系统化测试与分析,确保设备在实际应用场景中的可用性、准确性与稳定性。

　　硬件组装阶段选用Nordic nRF52832芯片作为主控核心,完成蓝牙通信、数据处理与传感器控制功能。激光测距传感器采用VL53L0X模块,具有高精度、短距离测量性能。姿态感知使用MPU6050模块,实现头部倾斜角度实时获取。主控模块、电源管理模块、传感器模块通过标准接口焊接完成,并封装于3D打印的定制外壳内,形成便于佩戴的整体结构。系统采用3.7V锂电池供电,辅以低功耗设计,实现持续运行超过24小时的目标。在调试过程中,通过逻辑分析仪监测I2C总线通信状态,确保传感器数据稳定输出。多次实际佩戴测试验证设备重量、形态与舒适度,确保长时间使用不影响学习与日常活动。

　　软件开发采用Android Studio开发平台,使用Kotlin语言编写系统主逻辑,BLE通信基于Android原生蓝牙API实现。界面部分采用Material Design规范设计,确保简洁、美观与响应流畅。数据处理逻辑结合SQLite数据库进行本地存储,图表渲染使用MPAndroidChart库进行实现。数据接收端具备自动扫描、快速连接、断线重连等功能,能够在佩戴设备连接状态变化时保持数据同步与状态同步。

　　系统联调阶段,将硬件端传感器数据与移动端数据接收模块进行闭环对接,验证BLE通信稳定性与数据解析准确性。在连续运行测试中,BLE连接平均时延控制在100毫秒以内,数据接收丢包率低于2%。传感器采样频率设置为10Hz,移动端数据更新延迟控制在300毫秒以内,满足实时用眼行为判断的需求。

　　在功能测试环节,对系统主要功能进行全面验证,包括实时距离识别、姿态检测、智能提醒、数据可视化与历史记录管理等。系统在多种使用姿态下均能准确识别不良用眼行为,提醒机制响应及时,用户操作逻辑清晰。为验证系统性能与稳定性,进行了10组用户模拟佩戴实验,对关键性能指标进行采样分析,结果如表1所示。

　　为了进一步分析系统对用户行为的识别能力,选取6名学生在阅读活动中佩戴设备进行1小时使用测试,记录系统对异常用眼行为的识别与反馈情况。结果如表2所示。

　　测试结果表明,系统在实际使用中表现出了较高的准确性与响应速度,能够在多数情况下及时识别不良用眼行为并进行干预。通信连接稳定、数据处理准确、提醒及时,能够满足日常使用需求。系统运行稳定,未出现崩溃、延迟严重等问题,整体性能达到预期设计目标。后续可在数据模型优化、算法智能化及跨平台兼容方面进行拓展与升级。

　　4结语

　　本系统基于低功耗蓝牙技术,结合可穿戴设备与移动端软件平台,构建了一套集实时监测、智能提醒、数据分析于一体的近视防控系统。通过传感器采集用户用眼距离与姿态信息,实现对不良用眼行为的精准识别与及时干预。系统具备结构紧凑、功能完善、运行稳定等特点,适用于青少年日常学习场景。软硬件协同运行保障了数据传输与处理的高效性,界面友好提升了用户交互体验。经过多轮测试验证,系统在识别准确率、通信稳定性与续航能力方面表现良好,具备实际应用与推广价值。

　参考文献

　　[1]白万里.可穿戴智能近视防控设备研究与设计[D].上海:华东师范大学,2024.

　　[2]李亮亮,蔡晶晶,曾胜,等.利用可穿戴设备监测学龄儿童量化用眼行为并定量分析近视发生相关因素[J].眼科学报,2024,39(4):180-187.

　　[3]彭宣.基于可穿戴设备的青少年用眼姿态及环境光监测系统[D].重庆:重庆师范大学,2023.

　　[4]范玉洁.可穿戴设备在近视儿童用眼行为监测中的价值研究[D].重庆:重庆医科大学,2021.