基于體感技術的智慧校園控制系統設計

陳海松+陳容娜

摘 要： 本項目為物聯網技術、語音、體感技術在數字化校園建設中的最新應用及信息技術與教育融合的應用項目，把未來潮流的應用帶入教室，告別傳統的鼠標、鍵盤、遙控器等等。采用KINECT體感感應器、利用手持設備作為控制終端，通過利用體感技術、Android技術、WIFI網絡及Zigbee無線自組織網絡技術智能控制，實現讓學生和教師用語音、手勢和體感進行PPT的翻頁控制，用智能手機作為控制終端，實現教室燈光、窗簾的智能控制和調節。

關鍵詞： 體感技術； zigbee； Wife； 控制信號

中圖分類號：TN919.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）12-49-04

Abstract： This project is the latest application of the Internet of Things technology， voice and somatosensory technology in the digital campus construction and the integration of information technology and education， which brings the upcoming application into the classroom and says goodbye to the traditional mouse， keyboard， and remote controller and so on. Using KINECT somatosensory sensors， using a hand-held device as a control terminal， and using the somatosensory technology， Android technology， WIFI network and Zigbee wireless network technology to realize intelligent control， let the students and teachers to control the PPT page by voice， gesture and body language， and to realize the intelligent control and adjustment of the classroom lighting and curtain by using a smart phone as the control terminal.

Key words： somatosensory technology； Zigbee； WiFi； control signal

0 引言

隨著電子技術的飛速發展，越來越多的領域應用到體感、無線智能控制等現代化技術。體感技術一般需要借助體感設備如手柄、腳帶、感應帽等完成人體動作、表情的捕捉，如最為大眾所知的wii游戲。本項目采用先進的體感技術，不需要借助設備，只需動手、動腳，即能通過識別器捕捉人體的運動線程，來控制終端設備。現在體感技術還處于發展階段，但已經廣泛應用到了游戲、影視、醫療等方面，隨著時代的變遷與科學技術的發展，體感技術的應用領域必將進一步擴大，如我們把它應用在教學領域，來控制教學軟件PPT的自動翻頁和畫圖功能，以及用手勢和語音控制教室的智能設備。我們采用短距離無線通信Zigbee技術實現對智能教室設備的控制以及環境的監測和控制。采用無線路由器、網關設備、zigbee模塊完成對智能教室設備的控制。用戶通過手機或平板電腦以無線wife的形式發送控制信號至無線路由器，控制信號經網線至以太網模塊后發送至zigbee模塊，Zigbee模塊接收控制信號后經放大后通過天線以zigbee信號的形式發送至zigbee設備，從而實現體感技術對zigbee設備的控制[1]。

1 基于體感技術的智慧校園控制系統

采用內嵌Windows操作系統，使用體感技術、語音控制技術、zigbee技術、多點觸控等目前世界上先進的人機互動交流技術，建立一套軟硬件結合的系統，把未來潮流的應用帶入教室。本系統共由五個單元模塊組成：教學互動模塊，教學展示模塊，教室環境控制模塊，教學資源網絡模塊和總控制中心。我們主要介紹體感控制，語音控制及教室智能設備控制這幾個部分，通過利用體感、Android技術、WIFI網絡及Zigbee無線自組織網絡技術控制教室內部燈光、窗簾以及利用體感技術、語音識別技術實現教室內部燈光、窗簾的控制，并實現采用體感技術實現教學輔助軟件的智能控制。框圖如圖1所示。主要研究內容如下：

⑴ 采用體感技術實現設備智能控制等功能；

⑵ 采用體感技術實現PPT的控制、實現在屏幕上簡易畫圖；

⑶ 采用物聯網技術實現教室特設的智能設備的控制等功能；

⑷ 采用語音技術實現設備智能控制；

⑸ 采用語音技術實現PPT的控制。

在體感控制應用領域，最主流的應用當屬體感游戲，體感游戲，顧名思義是通過身體運動的感應，來實現游戲中的各種操作，簡單地說，就是指通過人體動作來實現游戲[2]。體感技術之所以能夠受到廣大玩家的推崇與喜愛，是因為其獨特的形式。在教育領域，體感控制技術還未做到有效應用。我們把體感技術引入教學，增強和學生的互動，提高學生的學習自主性。其實現功能是采用體感及物聯網技術，感知教學場景，通過手勢及語音實現教學軟件及教室教學設備智能控制。軟件設計流程如圖2所示。

2.1 體感控制PPT的自動翻頁

體感交互是一項無需借助任何控制設備，可以直接使用肢體動作與數字設備和環境互動，隨心所欲地操控的智能技術。它的核心在于讓計算機有了更精準有效的“眼睛”去觀察這個世界，并根據人的動作來完成各種指令，不是簡單地利用體感技術代替鼠標鍵盤的點擊操作。我們通過體感設備模擬windows操作系統的鼠標和鍵盤操作事件，讓電腦瞬間變成體感控制，通過定義多個手勢，例如向左，向右，向上，向下揮動手勢對應多個鼠標鍵盤的左右上下箭頭鍵盤操作響應事件，這樣就可以通過手勢來控制PPT的自動翻頁功能了。我們可以讓每一個鼠標鍵盤事件都對應一個體感手勢，從而實現完全自定義化的通過體感手勢來操作軟件，完全實現體感操作代替鼠標鍵盤的操作。實現的功能是采用體感技術實現PPT的控制：右手向左揮動，PPT演示文稿往前翻一頁；左手向右揮動，PPT演示文稿向后翻一頁。采用語音技術實現PPT的控制：開口說“前”，PPT演示文稿往前翻一頁；開口說“后”，PPT演示文稿向后翻一頁。體感識別和控制的框圖如圖3所示。

體感控制PPT向前翻頁的程序如圖4所示。

2.2 體感控制教室智能設備

通過體感技術，實現教室內部燈光、窗簾的控制：揮動左手開燈、窗簾；揮動右手關燈、窗簾。采用語音技術實現教室內部燈光、窗簾的控制：開口說“開燈”，燈點亮，開口說“關燈”，燈熄滅；開口說“開窗簾”，窗簾打開，開口說“關窗簾”，窗簾關閉。

通過單片機接收到Kinect采集到的動作，轉換成相對應的指令，然后通過Zigbee無線網絡技術，以簇狀連接方式組網，分別控制教室的窗簾動作、燈光亮度調節、空調的開關，系統硬件框圖如圖5所示。體感控制智能設備的程序如圖6所示。

[開關設備終端][Zigbee][Zigbee][Kinect體感器][單片機][開關設備終端][照明控制系統][窗簾控制系統]

3 智能教室設備控制系統

系統采用Chipcon公司的CC2530，通過Zigbee無線網絡技術，以星狀連接方式組網。設備控制子網采用CC2530的單一I/O口控制，通過P1.0、P1.1、P1.2分別控制無線燈光、電動窗簾、空調開關，智能教室設備控制系統框圖如圖7所示。

[Internet][用戶手機][Zigbee][Zigbee][Wife][Zigbee] [無線路由器][網關設備（Wife-zigbee）] [開關設備終端][開關設備終端] [開關設備終

3.1 無線燈控實現

采用用戶終端發送開啟、關閉、調光、預約開啟、關閉和調光的控制信號給路由路由節點，路由節點接收到數據后，通過與WIFE轉Zigbee的網關設備完成握手后，輸出相應的數據來驅動雙向可控硅，控制可控硅相控調光和控制燈光的開啟和關閉，實現教室燈光智能控制，同時通過鎖存器將上一次的數據存儲，以便與下一次數據作比較，從而實現對燈光亮暗的調節。燈光調節的界面如圖8所示。

3.2 電動窗簾的實現

電功窗簾控制采用自動控制和手動控制兩種方式。通過對環境的光照強度、濕度的變化以及無線控制來對智能窗簾網絡化控制系統進行控制，光照強度強時，窗簾關起；濕度低時，窗簾關起。反之光照強度弱時，窗簾開啟；濕度高時，窗簾開啟。溫度傳感器采用CC2530自帶的溫度傳感器；同時還可以通過手動控制窗簾的開啟和關閉。窗簾控制系統由zigbee模塊和直流電機組成，用戶終端發送窗簾控制命令給路由器節點，路由器和網關完成握手后，CC2530接收到協調器的控制信號，確定自己是否被呼叫，如果被呼叫，則接收發送來的數據，然后確定是電機的正轉、反轉還是停止，在接收數據信息的同時，與自身存儲的數據作對比，確定需要的脈沖數，從而控制窗簾的開關程度[4]。

4 結束語

本系統引入先進的體感技術在教學軟件、教室燈光及窗簾等控制系統中的應用，告別傳統的鼠標、鍵盤、遙控器等，讓人以更自然的方式與控制終端進行交互。利用語音交互技術控制教學軟件和教室燈光，進一步提高了系統操作的便利性，而且對于一些有缺陷的人士，利用語音和手勢就可以控制智能設備，非常方便；利用手機或平板電腦，采用Zigbee、WiFi技術對燈光、風扇、窗簾進行無線控制；無需布線，穩定性高，維護費用低廉，操作簡單、適用性廣，前景比較廣闊。

參考文獻（Reference）：

[1] 楊浩杰，韓秀玲.一種智能家居監控系統的設計[J].微型電腦

應用，2011.4.

[2] 張維勇，馮琳.ZigBee實現家庭組網技術的研究[J].合肥工業

大學學報（自然科學版），2005.28（7）：755-759

[3] 徐方榮.無線智能家居控制系統的設計[J].現代建筑電氣，

2010.1：24-27

[4] 李兆堃.基于Kinect體感技術的人機交互環境[J].電子與金

系列工程信息，2013.9.

[5] 吳松，韓國柱，陳永才.基于Kinect的裝備體感維修教學系統

研究[J].中國現代教育裝備，2013.11.