基于RF通信技術的無線體感控制器的研究

陳浩文　劉忠富　曹天麟　趙爽

摘 要：隨著物聯網技術快速發展，人們的生活方式與工作習慣在漸漸發生了改變。面對多種智能化設備，如何實現對其進行統一化控制成了一個急需解決的問題。本文設計了一種新型體感控制器其使用基于射頻技術的NRF905作為通訊模塊，以STM32為主控芯片，配合使用MPU6050等多種傳感器實現對手腕動作信息的采集。該控制器實現了對人體特征動作的識別以及對各種智能化設備進行控制，使用戶與智能設備的溝通更加方便，具有一定的使用價值。

關鍵詞：RFID；NRF905；無線體感控制器；stm32

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2163（2016）01-

Abstract： With the rapid development of Internet of Things technology， the lifestyles and working habits have been gradually changed. In view of a variety of intelligent devices， how to achieve the unified control has become an urgent problem. In this paper， a novel somatosensory controller is presented， which adopts NRF905 based on radio frequency technology as the communication module， and STM32 as the master chip， to realize the information collection of wrist actions in conjunction with many other sensors such as MPU6050. The controller realizes the recognition of human characteristic actions and the operation of various intelligent control devices， which allows the users to communicate with intelligent devices more conveniently. So the controller has a certain application value.

Keywords： RFID； NRF905； wireless somatosensory controller； stm32

0引 言

近年來，隨著智能電視、平板電腦等高科技數碼產品的普及與蜂蜜，通過各種人機交互的實現在用戶體驗上做到了直觀與新鮮。比如來自微軟的通過3D體感攝影實現動態捕捉、影像辨識的Kinect；通過紅外攝像頭實現追蹤全部 10 只手指、識別精度高達 1/100 毫米的LeapMotion；以及加拿大創業公司Thalmic Labs推出的，通過探測用戶的肌肉產生的生物電活動來達到識別用戶手勢的MYO腕帶[1]。可以看出無線體感控制設備正在發揮著推動物聯網發展的重要實體作用，因而成為當下具有高度需求價值的熱點。本文即圍繞這一內容給出系統論述和應用設計。

1系統方案設計

無線體感控制器能夠實現通過操作者手勢控制任何具有與該設備匹配的通信設備。比如機器小車，電腦光標，無人機等等[2]。本系統用智能小車來模擬被控設備，通過智能小車的行進軌跡來評價設備的實用性。控制設備的主要工作原理是通過六軸傳感器MPU6050來進行手勢動作的采集，由STM32單片機處理又經RF905發送到被控制的設備上，受控設備配有相同的通信芯片，接收到數據之后則送入51芯片進行處理并執行相應動作[3]。

2 系統硬件電路設計

本文設計的無線體感控制器可以分為兩個工作部分。發射端由主控芯片、NRF905無線發射模塊、MPU6050六軸運動處理模塊等組成，無線體感控制終端框圖如圖1所示。接收端用智能小車進行模擬，小車由51主控芯片、直流電機、NRF905無線發射模塊等組成。

2.1 無線體感控制終端微控制器電路

對于無線體感控制終端，為了收獲良好的操作效果、呈現最佳用戶交互體驗，選用了6軸運動處理組件來識別用戶手勢[4]。而且，基于需要不斷采集角度等數據并實時進行數據處理的設計目標指向，因此上對于微控制器的工作頻率以及程序存儲器容量均將提出一定的要求。

系統以STM32F103C8T6單片機為控制核心，STM32F103C8T6單片機是3.3V供電的低功耗微處理器，工作頻率最高可達到72MHz，64K程序存儲器，性能比普通8051更強大，且成本較低，能夠滿足更為復雜的應用系統設計。微處理器的實際具體連接布局如圖2所示。

2. 2 電源模塊電路

控制器采用5V聚合物鋰電池供電，由于STM32F103C8T6單片機與NRF905的工作電壓都是3.3V，研究選用了ASM1117-3.3穩壓芯片來為系統提供3.3V電壓。需要一提的是，STM32F103C8T6分為模擬地和數字地，為了保證其正常工作可將兩路電源進行隔離設計，即在模擬地和數字地之間通過0Ω電阻實現單點共地。

2. 3 NRF905無線發射模塊電路

無線發射模塊是終端數據傳輸的具體實施可執行流程。NRF905芯片是基于RF通信技術的一款無線收發芯片，其工作電源電壓為3.3V，輸出功率可調-10～10dBm，通過SPI的接口方式能夠直接對其進行編程配置。NRF905應用電路如圖3所示。

2. 4 體感檢測電路

體感檢測部分選用六軸運動處理組件MPU-6050來進行手勢識別，其中的三軸MEMS陀螺儀，分別檢測X軸、Y軸和Z軸的角速度[5]。體感檢測電路如圖4所示。

2.5 接收設備

接收設備為一智能小車，實現的主要功能是作為被控設備，將無線體感控制終端發送的數據進行判斷，并作出前進、后退、左轉、右轉等響應。該設備硬件主要由51單片機、接收模塊以及四路直流電機組成，接收模塊的電路和控制終端的電路幾乎相同，直流電機需要7.2V供電，并且是以L293D為其核心的驅動電路。

3系統軟件設計

本系統軟件部分包括有發送端程序和接收端程序。其中，發送端程序主要功能是完成對手勢信息的識別并控制NRF905無線模塊將手勢信息進行實時發送。接收端則主要完成數據的接收和判斷以及對不同手勢的響應。本系統所有程序均采用C語言來實現編寫調制。

3.1 終端程序設計

3.1.1 MPU6050相關配置

首先進行手勢信息的采集，并對MPU6050提供初始化配置，具體內容包括：配置REG_PWR_MGMT_1寄存器，實現軟復位MPU6050；配置REG_ CONFIG寄存器分為加速度計和為陀螺儀設置采樣率為8Khz；配置REG_ GYRO_CONFIG寄存器使陀螺儀的量程為±2000°/s；配置加速度計的最大量程為±8g；配置REG_ INT_ENABLE使其終端產生方式定制為Motio detectoin，就是若有動作即產生中斷。至此，MPU6050初始化配置結束。

完成MPU6050初始化后，主控芯片將通過I2C總線讀取MPU6050的數據寄存器并融合相應算法得到相應歐拉角。通過對歐拉角的判別則可達成到手勢識別的目的。

3.1.2 NRF905相關配置

NRF905寄存器的配置內容可描述為：將NRF905初始化后，對應結果是輸出功率為+10dB，外接16MHZ晶振，發送地址寬度為4字節，數據寬度為4字節。將NRF905寄存器配置在433MHZ工作頻段，并將HFREQ_PLL位置“0”，使通道間的頻差為100KHZ。將NRF905的TRX_CE管腳置“1”，TX_EN置“0”使NRF905進入發送模式，在一個動作數據包發送完成后DR引腳將會置高來通知，由此告知單片機已經發送了數據。單片機判斷發送完成后，即將NRF905配置為正常模式，并轉入檢測動作輸入狀態，繼續進行下一次動作采集，如此循環往復[6]。控制終端程序框圖如圖5所示。

3.2 接收處理中心程序

接收處理中心是將NRF905配置成接收模式，接收到手勢信息并將其實現。

在初始化時，將NRF905配置寄存器的CH_NO位設定為0X4C，使其工作在430MHz的頻點上，將HFREQ_PLL位則置于“0”，通道間的頻差為100KHZ。設置NRF905的TRX_CE=“1”、TX_EN=“0”使之處于接收狀態，NRF905會自動檢測載波，接收到相同頻率載波后載波檢測引腳AM將會置為高，收到一個正確的數據后DR引腳相應也會置高。完成如上設置后，單片機將讀取接收到的手勢信息數據并根據信息執行前進、后退、左轉、右轉的動作。

4 結束語

本文將STM32F103C8T6單片機、NRF905無線發射模塊、MPU6050相結合，具體設計并實現了一種新型的無線體感控制器，通過操作者手勢能夠控制可與其相匹配的通信設備。比如機器小車、電腦光標、無人機等等。為智能家居的理想規劃實踐奠定了基礎，具有一定的現實推廣價值。

參考文獻：

[1] 王娟.基于RFID的新型交互式生命搜救儀器[J].電子技術，2010，37（12）：47-49.

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[5] 邰莉.三維磁阻式電子羅盤的設計與實現[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009：1-4.

[6] 彭軍.傳感器與檢測技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.