基于手勢識別的教室燈控系統設計

潘紀寧，蔡德勝，陸俊銘，王小虎

（湖南工學院智能制造與機械工程學院，湖南 衡陽 421002）

最近幾年，智能設備快速地應用在了各行各業，人們對智慧照明的需求日益增加。其中包括對燈光色彩、光照強度、燈控系統安全性能的個性需求，也包括為滿足殘障人士對控制開關方式的便捷控制需求等[1-3]。同時，在當前后疫情時代，公共場所接觸式燈控系統帶來了病菌傳播的極大風險。為了更科學、安全地滿足人們對智能生活辦公的需求，降低教室等公共場所人群不愛隨手關燈、造成能源的浪費的問題，本文使用單片機作為控制系統，采用多種傳感器設計了一款非接觸式智能燈控系統。

1 燈控系統硬件設計

本系統由電源接口電路、LCD 顯示電路、人體紅外檢測電路、蜂鳴器電路、LED 控制電路、按鍵設置六大部分組成。

主控模塊為STM32F103C6T6，負責對數據的分析與處理，其是一款32 位高性能微控制器單元，集成了72MHz 高性能ARM 內核、高速嵌入式存儲器、多種增強型I/O 和外設[4-6]。單片機最小系統包括了外部時鐘電路、復位電路和電源電路。

HC-SR501 作為人體紅外檢測模塊，由BISS0001與熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件共同構成，其將檢測到人體的信號傳輸給單片機。

LCD 顯示模塊是一種可以同時顯示16*2 即32 個字符的液晶顯示屏。CD1602 利用液晶的物理特性，通過電壓來控制液晶顯示器的顯示區域，在有電的情況下顯示相應符號。本系統中，LCD 顯示模塊顯示實時光照的強度、手動/自動模式、是否檢測到人體以及人體離開計時。

LED 控制電路采用芯片L9110 驅動。L9110 是一款雙通道工具，用于增強 ASIC 推挽功率，以實現發動機控制和駕駛。該芯片具有兩個TTL/CMOS 兼容電平輸入，具有很強的抗干擾能力。

系統采用蜂鳴器用來提醒燈控系統模式切換，采用LED 臺燈模擬教室日光燈/LED 燈，進行實時輸出。在系統的開發設計中，將硬件電路與軟件設計相互結合起來，運用了模塊化的設計思想。智能燈控系統原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2 系統軟件設計

本系統采用C 語言編寫，并按照模塊化的設計思想進行設計。系統的軟件設計包括對環境亮度的檢測程序、對感應人體的檢測并處理的程序、按鍵控制燈光亮度的程序、顯示LCD 屏、蜂鳴器程序等。環境亮度的檢測主要流程是根據光敏電阻讀取阻值，通過單片機對數據進行處理，將環境光亮度數據以百分比的形式自動顯示在LCD1602 的液晶顯示屏上。人體感應的主要工作原理是通過HC-SR501 感應人體，若檢測到人進入感應范圍，則向單片機輸入信號，并自動顯示到LCD1602 液晶顯示屏上。手勢識別控制APDS-9960 由數據寄存器和通過串行接口訪問的命令寄存器進行監視和控制。程序主流程圖如圖2 所示。

圖2 主程序設計流程圖

3 智能燈控系統測試

硬件調試時，根據電路原理圖焊接出實物，再將程序燒錄到STM32F103C6T6 單片機中。電路系統實物如圖3 所示。調試步驟如下：

圖3 電路系統實物

測試自動/手動模式的切換、手動控制燈光亮度以及蜂鳴器是否正常工作。按下按鍵1，燈光亮度降低，按下按鍵2，燈光亮度增加，按下按鍵3，切換當前模式。測試自動模式下人體感應、計時是否正常以及LCD1602液晶顯示屏是否正常。無人靠近從0 開始計時，若有人靠近則計時清零且trig 為1。

測試手勢識別傳感模塊是否能正常檢測以及是否能隨手勢作出相應反應。若手勢為上下則切換模式，手動模式下手勢為左右控制燈光亮度。

通過系統測試，該設計實現了以下功能：

1.通過手勢識別手勢做出相應反應。

2.通過光敏電阻采集光照強度并智能適應環境亮度。

3.通過人體紅外傳感器實現靠近臺燈時開啟臺燈，當人離開時關燈。

4.通過LCD 液晶顯示屏顯示實時信息。

4 結論

系統以人體感應燈裝置的工作原理為基礎，采用現代傳感技術采集熱釋電，以環境光、人體存在等外界因素作為控制其的輸入參數，再通過單片機控制系統對各個部分進行控制，達到燈控系統智能控制的目的。系統相比單一手動控制燈光更合理，有效降低了教室燈光的資源費用和接觸式燈控系統帶來的病菌傳播風險。智能教室燈控系統還有一些不足或改進之處，如：手勢識別的范圍太固定，太遠或太近或有物體干擾都會受到影響；加入語音識別等模塊可以使得其更方便。