“Wave”家電控制指環(huán)

摘要：“Wave”家電控制指環(huán)（以下簡(jiǎn)稱“Wave”）對(duì)傳統(tǒng)家電控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于可穿戴設(shè)備和體感的通用家電控制方法和設(shè)備。“Wave”分為體感設(shè)備和家電控制模塊兩個(gè)部分。體感部分被設(shè)計(jì)為一個(gè)指環(huán)形的可穿戴設(shè)備，側(cè)面為選擇設(shè)備用的觸摸板。它通過內(nèi)置的加速度傳感器收集用戶手勢(shì)的加速度信息并識(shí)別動(dòng)作類型，識(shí)別出動(dòng)作類型后，將動(dòng)作編號(hào)和設(shè)備編號(hào)通過BLE（低功耗藍(lán)牙）發(fā)送給家電控制模塊。“Wave”家電控制模塊收到設(shè)備類型和動(dòng)作類型后，發(fā)送預(yù)先學(xué)習(xí)的對(duì)應(yīng)紅外信號(hào)，從而控制家電操作。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/273273.htm

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；可穿戴計(jì)算；手勢(shì)識(shí)別；MEMS傳感器；智能家庭DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2 015.4.014

引言

智能家庭這一概念正在逐步發(fā)展并被市場(chǎng)接受。我們認(rèn)為其終極形式在于所有家電的基于開放接口的互聯(lián)互通，但基于目前的市場(chǎng)情況來看，各個(gè)家電廠商在開放接口方面表現(xiàn)的+分不積極。在這種環(huán)境下，一個(gè)通用的家電控制平臺(tái)無(wú)疑是很有市場(chǎng)前景的。尤其是結(jié)合了體感手勢(shì)控制技術(shù)以后，“Wave”家電控制指環(huán)將提供更加自然的用戶體驗(yàn)，更容易被市場(chǎng)所接受。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“Wave”家電控制指環(huán)的主題最初確定為“通用手勢(shì)家電控制設(shè)備”。考慮到基于視覺的控制技術(shù)有其固有缺陷，如：1與被控對(duì)象緊密綁定：2受距離、遮擋等光學(xué)限制較大。本系統(tǒng)使用基于MEMS傳感器的可穿戴計(jì)算解決方案。本系統(tǒng)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)是如何確定當(dāng)前要控制的是哪個(gè)家電，我們選擇了基于觸摸的方式：將指環(huán)側(cè)面做成一體式的電容觸摸板，同時(shí)安置數(shù)個(gè)LED指示當(dāng)前選擇的設(shè)備。

使用時(shí)，將指環(huán)（體感部分）戴在大拇指或食指根部，另一手指可自然地搭在指環(huán)側(cè)面，通過滑動(dòng)選擇設(shè)備。本系統(tǒng)配置完成后的使用流程如下：

（1）戴上指環(huán)，打開電源；

（2）若需要控制家電，則將手指搭在指環(huán)側(cè)面電容觸摸板上，選擇好設(shè)備（為了防止誤觸發(fā)，可使用雙擊、滑動(dòng)手勢(shì)等方式作為開始信號(hào)），之后，指環(huán)進(jìn)入手勢(shì)檢測(cè)模式：

（3）用戶用手做出預(yù)設(shè)8-10種任意一個(gè)手勢(shì)：

（4）家電控制模塊發(fā)出手勢(shì)動(dòng)作對(duì)應(yīng)的紅外指令，控制相應(yīng)的家電。

本系統(tǒng)用戶在使用前需要進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)初始化。

紅外學(xué)習(xí)流程

（1）使用基于Android的“Wave紅外小伙伴”軟件通過BLE連接紅外收發(fā)模塊（家電控制模塊）；

（2）在軟件界面上選擇一個(gè)設(shè)備和一個(gè)手勢(shì)，點(diǎn)擊“學(xué)習(xí)”按鈕，紅外收發(fā)模塊進(jìn)入對(duì)指定紅外指令的學(xué)習(xí)狀態(tài)：

（3）手持被學(xué)習(xí)的設(shè)備遙控器在近距離對(duì)紅外收發(fā)模塊發(fā)出指定紅外信號(hào)：

（4）紅外學(xué)習(xí)成功，軟件界面上顯示“學(xué)習(xí)成功”。本系統(tǒng)的使用示意圖1。

2 硬件及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)分兩個(gè)主要子系統(tǒng)：指環(huán)子系統(tǒng)（體感部分）、紅外學(xué)習(xí)/發(fā)射子系統(tǒng)（家電控制模塊）。指環(huán)子系統(tǒng)包括STM32單片機(jī)、觸摸模塊、運(yùn)動(dòng)傳感器、藍(lán)牙模塊和電源部分。紅外學(xué)習(xí)/發(fā)射子系統(tǒng)包括STM32單片機(jī)、紅外發(fā)射與接收頭、藍(lán)牙模塊和電源部分。這兩個(gè)子系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心處理器，各有一個(gè)藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)相互通信。作品外觀如圖2和圖3所示。它們各自的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

2.1 主控單片機(jī)

為滿足作品需要，兼顧功耗、性能與體積要求，我們選用了STM32F103C8單片機(jī)。它具有72MHz的主頻，能夠滿足手勢(shì)檢測(cè)識(shí)別算法的需要；內(nèi)置Flash可作為存儲(chǔ)使用，不需要外掛存儲(chǔ)器。同時(shí)功耗遠(yuǎn)低于ARM Cortex A8， A9系列的處理器。在指環(huán)子系統(tǒng)中，單片機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)手勢(shì)識(shí)別算法，接收觸摸模塊的設(shè)備選擇指令，通過藍(lán)牙模塊發(fā)送動(dòng)作編號(hào)和設(shè)備編號(hào)給紅外學(xué)習(xí)/發(fā)射子系統(tǒng)。在紅外學(xué)習(xí)/發(fā)射子系統(tǒng)中，單片機(jī)接收到動(dòng)作編號(hào)和設(shè)備編號(hào)后，發(fā)射相應(yīng)設(shè)備的相應(yīng)紅外控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)家電控制。

2.2 觸摸模塊

電容式觸摸按鍵作為系統(tǒng)的輸入，與用戶進(jìn)行交互。采用TI公司的MSP430微處理器來設(shè)計(jì)RC型電容單觸式傳感器。觸摸按鍵部分由一個(gè)滑條（實(shí)際為銅箔）構(gòu)成，滑條上有三個(gè)電容傳感器，每個(gè)傳感器旁設(shè)置了一個(gè)LED指示燈。用戶可以通過點(diǎn)擊傳感器或者滑動(dòng)滑條，輸入已設(shè)定的指令。電容式觸摸按鍵電路板如圖5所示。

2.3 運(yùn)動(dòng)傳感器

運(yùn)動(dòng)傳感器進(jìn)行手勢(shì)檢測(cè)。MPU-9150是一種常用的9軸MEMS慣性傳感器。它在智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等有低功耗、低成本、高性能要求的消費(fèi)性電子產(chǎn)品設(shè)備上已經(jīng)廣泛使用。它包含三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀以及三軸地磁計(jì)。

手勢(shì)識(shí)別技術(shù)基于DTW動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整算法的橫板匹配，計(jì)劃預(yù)設(shè)8-10種通用手勢(shì)，以后可加入手勢(shì)學(xué)習(xí)功能，用戶自定義手勢(shì)。

2.4 BLE藍(lán)牙模塊

BLE藍(lán)牙模塊采用了TI公司的CC2541芯片的藍(lán)牙低功耗（BLE）模塊。該模塊能夠滿足作品對(duì)通信的要求，并且便于使用手機(jī)與作品通信，進(jìn)行配置。指環(huán)和紅外收發(fā)模塊各需要一塊CC2541芯片。

2.5 紅外學(xué)習(xí)與重放

紅外學(xué)習(xí)與重放采用一體化接收頭VS1838B。接收與解潤(rùn)可以使用一種集紅外接收、解調(diào)和放大于一體的一體化紅外接收器，不需要太多外接元件，就能完成從紅外接收到輸出與TTL電平兼容的信號(hào)所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。紅外重放與紅外學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。

2.6 手機(jī)端“紅外小伙伴”

手機(jī)端“紅外小伙伴”手機(jī)應(yīng)用軟件安裝在用戶智能手機(jī)上。它控制紅外信號(hào)的學(xué)習(xí)和配置手勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系。運(yùn)行“紅外小伙伴”應(yīng)用的手機(jī)需要硬件支持BLE，同時(shí)運(yùn)行Android4.3以上系統(tǒng)。目前，市場(chǎng)上支持BLE的主流手機(jī)有小米3、三星GalaxyS4、Note3、iphone5s等。硬件支持BLE的手機(jī)尚未成為主流，但是在下一代旗艦至中端手機(jī)上已經(jīng)可以大量見到BLE的身影。可以說，在不遠(yuǎn)的將來BLE-定會(huì)得到迅速普及。 “紅外小伙伴’界面如圖7所示。

2.7 供電

本系統(tǒng)采用3.7V聚合物鋰電池供電。使用TP4057鋰電池充電管理芯片進(jìn)行充電管理，可直接通過USB充電。使用MCP1700T低壓差穩(wěn)壓芯片將鋰電池電壓穩(wěn)至3.3V，供STM32、傳感器、藍(lán)牙使用。

3 總結(jié)與展望

本作品將體感技術(shù)與可穿戴計(jì)算技術(shù)運(yùn)用在家電控制上，提出了一種無(wú)障礙的，用戶友好的體感手勢(shì)控制方式，并且可以通過紅外學(xué)習(xí)控制任意家電。相對(duì)于采用機(jī)器視覺的手勢(shì)識(shí)別方案，本作品采用的可穿戴式手勢(shì)控制技術(shù)沒有方向、位置的限制。只要在紅外收發(fā)器模塊的信號(hào)范圍內(nèi)，都可以對(duì)家電進(jìn)行控制。

3.1 自定義手勢(shì)學(xué)習(xí)

我們定義了預(yù)設(shè)8-10種通用手勢(shì)，以后可加入手勢(shì)學(xué)習(xí)功能，實(shí)現(xiàn)用戶自定義手勢(shì)學(xué)習(xí)。在指環(huán)側(cè)面做出指定的學(xué)習(xí)手勢(shì)，指環(huán)進(jìn)入手勢(shì)學(xué)習(xí)模式：指環(huán)側(cè)面的指示燈顯示二進(jìn)制數(shù)字，代表當(dāng)前學(xué)習(xí)的手勢(shì)編號(hào)。用戶此時(shí)按照使用流程做出幾遍對(duì)應(yīng)手勢(shì)即可完成學(xué)習(xí)。一個(gè)手勢(shì)學(xué)習(xí)完成后，指示燈會(huì)指示進(jìn)行下一個(gè)手勢(shì)的學(xué)習(xí)。

3.2 基于指向的家電選擇

在設(shè)備選擇方式上，目前我們采用的選擇設(shè)備方法為電容觸摸，預(yù)計(jì)將來可以將室內(nèi)定位技術(shù)整合在“Wave”中。結(jié)合室內(nèi)定位，通過室內(nèi)定位技術(shù)獲取用戶所在的大概位置，結(jié)合預(yù)設(shè)的環(huán)境地圖，可以知道用戶當(dāng)前與各個(gè)設(shè)備的相對(duì)方向：再通過指環(huán)攜帶的地磁傳感器獲得指環(huán)的指向，就可以選出指環(huán)當(dāng)前指向的設(shè)備。

3.3 小型化

要想真正把本作品制成指環(huán)，關(guān)鍵在于小型化。從芯片尺寸來說，目前選型的各個(gè)芯片勉強(qiáng)能達(dá)到要求，但是小還不夠。另外，小型化在電路板方面可結(jié)合柔性電路，電池可以應(yīng)用異型電池等技術(shù)和產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)真正的“指環(huán)”。